OSC福岡プレゼン資料 LoRaWAN実証実験

LoRaとLoRaWANと
Fukuoka City LoRaWAN™実証実験
2017年10月7日(土)
ネクストステップ
上野和昭
OSC 2017 Fukuoka ネクストステップ/上野和昭 1

LoRaWANとは?
LoRaWANをwikipediaで検索してみました。

LoRaWANとは?
LoRaWANをwikipediaで検索してみました。
このウィキでページ「LoRaWAN」を新規作成しましょう。検索
で見つかった他のページも参照してください。
WikipediaにLoRaWANのページがありませんでした

あらためてLoRaWANとは?
LoRaWANとは、LoRaというIoT向け無線通信技術を用いたネットワークのこと。
LoTの普及に伴い、少ない消費電力で広いエリアをカバーする無線通信技術の開発が進んでいる。
それをLPWA（Low Power, Wide Area）と呼ぶが、LoRaは、その代表的な規格の一つ。
LoRaは、1GHzより低い「サブギガ帯」と呼ばれる周波数帯域を用い、最大伝送速度は
250kbps程度で、伝送距離は最大10km程度。免許不要の周波数帯域（アンライセンスバン
ド）を利用するオープンな通信規格で、LoRa Allianceという非営利団体が組織されている。
LoRaが基地局やモジュールなどの物理的な規格であるのに対して、LoRaWANはネットワーク
通信技術の規格。10年以上のバッテリー持続、数km以上の通信距離、多量のデバイス接続、1
個あたり数百円程度の安価な通信モジュールなどの特⾧を有する。
KDDIのホームページより

バッテリー
自体が10
年持たない
と思います。

バッテリー
自体が10
年持たない
と思います
10km以上電波が
飛ぶという事例も
ありますが相当条
件が良くないと届
きません

そんなに安いモジュー
ルは有りません
ちなみに私が買ったモ
ジュールは7000円で
した

ソフトバンク株式会社プレスリリースのページでは

ソフトバンク株式会社プレスリリースのページでは
書き方が違うだけで内容はKDDIと同じ

SORACOMの製品
LoRaデバイスはいくらくらい?

LoRa と LoRaWANってどう違うの?
ただ単に違LoRaWANを省略してLoRa と呼んでいるだけじやないの?

LoRaとLoRaWAN
LoRaはPHYレイヤ(フィジカル層)の無線変調を、
LoRaWANはLoRa Allianceによって策定されたプロトコル体系全般を指します。
LoRa対応製品はMACレイヤ以上は独自プロトコルの場合がありますので、必ずしもLoRa
対応製品=LoRaWAN対応製品ではないことにご注意ください。
SORACOMサポートページより
LoRaは物理層の規格だが、実際に通信を行うためにはデータリンク層が必
要。その規格として有力なのがLoRaWAN。

LoRaWANが使えるエリアは?
LoRaWANには携帯電話で言うところの基地局に当たる
LoRaゲートウェイが必要です
じゃあサービスエリアは? どこで使えるの?
残念ながら使える場所がほとんどありません

じゃあどうする?
安心してください、自前でゲートウェイを設置できます
ゲートウェイは有線または無線LANでインターネットにつなげます
ゲートウェイを個人で利用するだけなら無線関係のややこしい免許は要り
ません、ただし技適の通っているものに限る
ここで困ったことが

困ったこととは?
ゲートウェイの機器が高い

そこで福岡市に住んでいて良かった
福岡市はLoRaの実証実験用にゲートウェイの設置と
無料開放を実施しています。
Fukuoka City LoRaWAN™ 実証実験

ゲートウェイはタダで使えても色々と経費かかるよね
福岡市はそこもちゃんと見越してくれています

第一期に応募しました
が見事に書類審査で落
ちました。

みなさんも福岡市の実証実験に参加しませんか
Fukuoka City LoRaWAN™ 実証実験
参加企業(個人でも可)募集中
福岡市実証実験フルサポート事業
第二期募集中

ここからが実証実験レポートです
(まだデータが取れだして1週間も経っていないので十分な検証はできていません)

自分が入居しているFGN(旧大名小)の掲示板に
二酸化炭素濃度が基準値を超えている部屋があるので
午前と午後換気をお願いします。
と張り紙があったので室内環境のセンシングをやってみることにしました
先ず最初にやること
実証実験に申し込むには実証実験で何をやるのかテーマが必要です。
テーマを何にするか考えました

実証実験の福岡市の提供範囲
NTTネオメイト様のHPより

何から始めれば良い?
• 福岡市実証実験への申し込み(大前提)
• ついでにフルサポート事業への申し込み(見事落選)
• センシング装置のハードウェアの設計と製作(本職はハード屋)
• LoRaサーバーからのデータ受取部分(俗にアプリケーション
サーバーと呼ばれている部分)(web屋の経験10年)
• 受け取ったデータの確認表示UI(デザインには自信がない)

【Fukuoka City LoRaWAN(TM)】利用手続きの流れ
Thingpark(プラットフォーム)のアクティベーション ※要注意
プラットフォームThingparkへのログイン可
利用者情報シートの提出
Fukuoka City LoRaWAN™ 利用お申し込みページから利用申請

Thingparkのアクティビテーションでやらかしました
利用者情報シートの提出後Thingparkへのアクセスできるようにするためのアクティベーション用の
お知らせメールが届きます。
提出して1週間以上経っても送られてこないのでおかしいと思っていたら
アクティベーション用のメールはThingparkのシステムから送られているので
届いているのを見逃していました。
差出人が Thingpark <noreply@thingpark.com>
タイトルが [ThingPark Portal] Your ThingPark Account Details
となっているメールがそうです。
※ 言い訳同じ時期にThingSpeakと言うIoTサービスに登録したのでそこからのメールと思っていました。

Thingparkでさらなる落とし穴
アクティベーション用のメールに書かれているページにアクセスしてパス
ワードを設定後、Thingparkのログインページが表示されます
でも IDとパスワードを入力しても入れない
実はアクティベーション後に表示されるページは
Thingparkのコンソールへのログインページではありません

2つのログイン画面
コンソールへのログイン画面アクティベーション後に表示されるログイン画面

Thingparkのトップページ
Thingparkにログインすると以下の画面になります
ThingPargStore (使いません)
Device Manager
ディバイスの設定だけではなく
アプリケーションサーバー等の色々
な設定を行います。
Wireless Logger
デバイスから送られてきたデータや通信
状況の確認を行います。

Device Managerページでの各種設定
Device Managerでの設定項目
Device
Connectivity plans ※
AS routing profiles
Application servers
Settings ※
※ 使いません

各種登録の流れ
Application servers でアプリケーションサーバーの登録 ※
Deviceでデバイス情報の登録
AS routing profiles でアプリケーションサーバーへのルーティング方法の登録 ※
※ デバイスからデータが届いているかだけの確認には必要ありません

Application servers でアプリケーションサーバーの登録
アプリケーションサーバーとは?
プラットフォーム(Thingpark)は
IoTデバイスから送られてきたデータをアプリケー
ションサーバーに中継する役目しかありません。
データをエクスポートすることも出来ますが、これ
はLoRaの通信状況とかを確認するためのもので、
IoTデバイスから送られてきたデータを閲覧するため
のものではありません。
ここでありがちな勘違い
Q:プラットフォームでセンサーの値を見られる
のではないの?
A:見られないことはありませんが
16進数だったりデータの区切りとかとても見辛
いですし、必要なデータだけ取り出す機能もあ
りません
データを加工してみやすくしたり、グラフ化す
るプログラムは自分で準備してください
それがアプリケーションサーバーです。

アプリケーションサーバーの登録
ここに接続先を書きます。
自分の場合は PHPで書いたプログラムで受
けているのでそのアドレスを書いています。
例 https://*********.com/xxxxx.php

デバイス登録画面
デバイスの登録内容は ABPモードとOTAAモードでは登録する項目が違います。
ABPモード OTAAモード

ABPとOTAAの違い
OTAA(Over The Air Activation)
あらかじめエンドデバイスに AppKey を格納して、無線でネットワークに参加する方式。
エンドデバイスは参加リクエストとして AppEUI（アプリケーション固有の64bitID）と
DevEUI（デバイス固有の64bitID）を送信する。これらの情報と AppKey から DevAddr
（ネットワーク内のデバイスID）、AppSKey、NwkSKeyを算出して参加承認する。以降
は AppSKey と NwkSKey で暗号化する。
ABP(Activation By Personalization)
あらかじめエンドデバイスに DevAddr, AppSKey, NwkSKey を格納しておく方式。
おそらく日本国内に存在する、ほとんどのエンドデバイスが採用している方式らしいです。

ABPモード時の設定項目 Administrative data
Device name と Administrative info は適当な値で
問題ないです。
Administrative locationは変更せずそのままです。
Motion indicator は意味が分かっていないので未選
択のままです。

ABPモード時の設定項目 Device identification
DevEUIとDevAddrはデバイス本体や資料を参照し
て設定してくださいとマニュアルに記載されてい
ますが、今回使用したデバイスにはどこにも記載が
なかったので、重複しない適当な値を入れました。
Device profileはプルダウンから選択するように
なっていますがリストに使っているディバイスが無
い場合は
「LoRaWAN1.0-classA-ETSI-Rx2_SF9」
を選択してください。

ABPモード時の設定項目 Network parameters
Connectivity plan は実証実験を申し込んだときに申請
したプランを選択します。
自分の場合は
「NTT-NEO Connectivity Supplier / Fukuoka-City-LoRaWANプラン３ (7)」
です。

ABPモード時の設定項目 Application layer handling
Application server rooting profile:の下に
AppSKeys: とあるので
Application serverとの接続するためのkeyか
と思っていたら違っていました。
Device間とのKeyでした。
このキーが違っていたので、デバイスから
送っているデータと、プラットフォームで受
信しているデータが違っていて半日ほど悩み
ました。マニュアルは良く読みましょう

OTAAモード
OTAAモードでは
まだ使っていません

モジュールを登録しても表示されない
モジュールを登録して Devices のトップページ
に戻ってもなんか地図が表示されているだけで
登録したモジュールが表示されていない
と思ったのですが
良く見ると Map の隣に Listタブがありました。
Listの文字が薄いから老眼では見えなかった
(これも言い訳)

IoTデバイスの開発
プラットフォームの設定が一通り終わったので
IoTデバイスのハードウェアとファームウェアの開発に進みます

センシング装置の構成
• LoRaモジュール選定
なるべく安くて技適が通っていて使いやすいもの
(今回使用したLoRaモジュールは次ページを参照)
• 温湿度センサー
Sensirion社 SHT-2
メーカーページ
• CO2センサー
Winsen社 MH-Z19

このモジュールを選択した理由は
Arduino UNO と同じMCUを使っているので
Arduinoの豊富なライブラリが使えるのと
開発環境も Arduino IDE が使える。
こんな単純な考えで選定したのですが
これが後でとんでももないことに
日本の代理店

基板の製作
全頁までの部品を使って以下の2枚の基板を設計・製作しました
メインボード
LoRaモジュール
温湿度センサー
USBシリアル変換器
電源周り
センサー拡張シールド
CO2センサー
RTC
microSDカードスロット
GPS(未実装)

アクリル板でケースも作ってみました
アクリル加工協力
Gooday Fab Daymyo

センシング装置のファームウェア
• 開発環境
Arduino IDE 1.8.2
• 使用ライブラリ
lmic IBM社LMiC(LoRa MAC in Cの略）ライブラリ for Arduino
SHT21 温湿度センサー SHT21用ライブラリ
Softwaresrial CO2センサーをUARTで接続するのに使用
• ベースとしたプログラム
株式会社オープンウェーブ社がサンプルとして公開しているLoRaWAN用プログラム
サンプルプログラム
参考ページ

先ずはサンプルプログラムを動かすための準備
1. サンプルプログラムのダウンロード GitHubからダウンロード
LoRaWANExample/lora-arduino/lora-arduino.ino が今回使用したサンプルです
2. Arduino IDE にArduino用LMiCのライブラリをインクルード
Arduino IDE から
<スケッチ>
↓
<ライブラリをインクルード>
↓
<ライブラリを管理>
↓
lmicで検索

LMiCライブラリの修正
LMiCライブラリには、EUとUS基準の無線周波数の設定されているのでこれを日本の周波数に書き直します。
lorabase.h修正前
// Default frequency plan for EU 868MHz ISM band
// Bands:
// g1 : 1% 14dBm
// g2 : 0.1% 14dBm
// g3 : 10% 27dBm
// freq band datarates
enum { EU868_F1 = 868100000, // g1 SF7-12
EU868_F2 = 868300000, // g1 SF7-12 FSK SF7/250
EU868_F3 = 868500000, // g1 SF7-12
EU868_F4 = 868850000, // g2 SF7-12
EU868_F5 = 869050000, // g2 SF7-12
EU868_F6 = 869525000, // g3 SF7-12
EU868_J4 = 864100000, // g2 SF7-12 used during join
EU868_J5 = 864300000, // g2 SF7-12 ditto
EU868_J6 = 864500000, // g2 SF7-12 ditto
};
enum { EU868_FREQ_MIN = 863000000,
EU868_FREQ_MAX = 870000000 };
lorabase.h修正後
// Default frequency plan for EU 868MHz ISM band
// Bands:
// g1 : 1% 14dBm
// g2 : 0.1% 14dBm
// g3 : 10% 27dBm
// freq band datarates
enum { EU868_F1 = 868100000, // g1 SF7-12
EU868_F2 = 868300000, // g1 SF7-12 FSK SF7/250
EU868_F3 = 868500000, // g1 SF7-12
EU868_F4 = 868850000, // g2 SF7-12
EU868_F5 = 869050000, // g2 SF7-12
EU868_F6 = 869525000, // g3 SF7-12
EU868_J4 = 864100000, // g2 SF7-12 used during join
EU868_J5 = 864300000, // g2 SF7-12 ditto
EU868_J6 = 864500000, // g2 SF7-12 ditto
};
enum { EU868_FREQ_MIN = 863000000,
EU868_FREQ_MAX = 870000000 };
Arduino IDEを通常通りインストールした場合
¥Documents¥Arduino¥libraries¥arduino-lmic-master¥src¥lmic¥lorabase.h

Network Session Key、App Session Key、Device Address の変更
lora-arduino.ino
//ttn
static const PROGMEM u1_t NWKSKEY[16] = { 0x19, 0x7C, 0x79, 0x8E, 0x6D, 0xDE, 0xEB, 0xA6,
0x92, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0FF, 0xFF };
// LoRaWAN AppSKey, application session key
// This is the default Semtech key, which is used by the prototype TTN
// network initially.
//ttn
static const u1_t PROGMEM APPSKEY[16] = { 0x07, 0x8C, 0xB1, 0x4F, 0x1E, 0xAD, 0x39, 0x4A,
0x99, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0FF, 0xFF };
// LoRaWAN end-device address (DevAddr)
// See http://thethingsnetwork.org/wiki/AddressSpace
//ttn
static const u4_t DEVADDR = 0x2600FFFF;
ソースコードの以下の青字の部分をプラットフォームに登録した内容と同じに変更します。

サンプルプログラムをコンパイルした結果
このサンプルプログラムはセンサーからの
データの取り込みはやっておらず
だだ単に“Hello, world!” と送っているだけ
なのにプログラムエリアがほとんど残ってい
ないこの事実

サンプルプログラムを実行してみる
Arduino IDE のシリアルモニタで見てみると
なんか動いているっぽいです。

Thingparkでモニターしてみると
ちゃんとデータが届いています(プラットフォームのWiressLoggerのページで確認できます)

データは届いているけどそのデータは正しいの?
これがデバイスか
らのデータです。
“Hello, world!” をアスキーコード(16進
数)で送っているので
48656c6c6f2c20776f726c6421 は正
しいデータとなります。
↓ ↑ の矢印の左の + ボタンを押すと詳細データが表示されます。

わざとデバイス側の APPSKEY を違う値にしてみました。
これがデバイスか
らのデータです。
48656c6c6f2c20776f726c6421 が
正しい値なのに
a1482d9da949e2869a19a95e33 と
違った値になっています。

“Hello, world!” を送り続けてもそれはIoTじゃないよ
IoTデバイスのサンプルプログラムなら文字列とかではなくて
カウンター地でも良いので変化するデータにして欲しかった。
まあ、LoRaサーバーまでデータがつながったのが分かっただけでも良しとしましょう
次ページからは実際にセンサーのデータを送った結果です。
このサンプルプログラムを変更して実現しましたがプログラムの変更箇所の詳細は割愛し
ます。

送るデータ形式を決める
LoRaデバイスからLoRaサーバーへ送るデータ形式は
バイナリデータでもアスキーコードでもなんでも構いません。
今回は温度データ、湿度データ二酸化炭素濃度データを
4文字ずつのアスキーコードで送ることにしました。
例
温度データ 28.05℃ → 2805 → 32383035
湿度データ 45.62％ → 4562 → 34353632
CO2濃度データ 620rpm → 0620 → 30363230

メモリがかなりやばい状況に
プログラム領域がほとんど残っていません。
残り106バイト
このあとどうするの(泣)

何とか温湿度、CO2データを取り込めました
データ : 333136333437383130353030002a2a
温度湿度 CO2 ダミー
温度 : 31.63℃
湿度 : 47.81%
CO2 : 500ppm

プラットフォーム以降のデータ処理
プラットフォームまでデータが届いているのを確認できたので
このデータを可視化するための作業に入ります。
プラットフォームからアプリケーションサーバーへは
JsonまたはXML形式でデータを送れます。
今回はjsonデータをPHPで書いたプログラムで受けて、
MySQLへのデータ保存と Thingspeak へのデータ中継をしました。

プラットフォームからデータが飛んで来ているかの確認
プラットフォームから送られてきたデータはPHPプログラムでバックエンドで処理される
のでブラウザ上にデータを表示させたりすることが出来ません。
そこでデータを受信したらログファイルに書き込む方法でデバッグしました。
確認する内容は
送られて来たjsonデータ
そのjsonデータから必要なデータに展開するパース処理が意図通りに動いているか

jsonデータ
ログから以下のようなjsonデータが送られてきているのを確認しました。
{“DevEUI_uplink”: {“Time”: “2017-10-03T02:56:24.671+02:00”,“DevEUI”:
“ACFF48FF45FFAB02”,“FPort”: “1”,“FCntUp”: “4”,“ADRbit”: “1”,“MType”: “2”,“FCntDn”:
“4”,“payload_hex”: “323936343534353130373637002a2a”,“mic_hex”: “350bfda0”,“Lrcid”:
“00000201”,“LrrRSSI”: “-102.000000”,“LrrSNR”: “7.500000”,“SpFact”: “7”,“SubBand”: “G0”,“Channel”:
“LC2”,“DevLrrCnt”: “1”,“Lrrid”: “65D2A341”,“Late”: “0”,“LrrLAT”: “33.588482”,“LrrLON”:
“130.397430”,“Lrrs”: {“Lrr”: [{“Lrrid”: “65D2A341”,“Chain”: “0”,“LrrRSSI”: “-102.000000”,“LrrSNR”:
“7.500000”,“LrrESP”: “-102.710815”}]},“CustomerID”: “100007297”,“CustomerData”:
{“alr”:{“pro”:“LORA/Generic”,“ver”:“1”}},“ModelCfg”: “0”,“DevAddr”: “76FFFF02”}}
このデータを基に
• DevAdde :
• Time :
• payload_hex :
をパースしてログに書いてみました。

必要なデータをパース出来ました

次はMySQLデータベースへの保存
前頁まででデータの切り出しが出来ているので
MySQLへのデータの保存はたいして難しくありません。
まずテーブルの構造は以下のようにしました。

MySQLにデータを保存できました

データ部分を拡大してみました

もう少し
センサーからデータを取得してMySQLにデータを保存するまで
は出来ました。
後はそのデータの集計や表示用のWebページ(UI)を作るのみ

データのグラフ化
時間が無くて、
IoTデータサービスの
ThingSpeakをとりあえず使いました
このデータは
Fukuoka growth next 3F シェアオフィス
でのデータです。

Thingspeakとのデータ接続
ThingspeakとThingpark 似ていますよね、これが冒頭の
アクティベーションメールを見逃してしまった原因です。
Thingspeak のホームページ
Thingspeakへデータを送るのは単純で
https://api.thingspeak.com/update?api_key=2MC5PWRH9ES2KJL6&field1=0
発行されたURLをたたくだけです。
今回は温度データ、湿度データ、CO2データを送るので
https://api.thingspeak.com/update?api_key=2MC5PWRH9ES2KJL6&field1=28.05&field2=45.32&field3=895
こんな感じのでアドレスをPHPからcurlでたたいています。
ThingspeakとThingparkは全くの別物で、Thingspeakは今回の実証実験と全く関係ありません。
温度湿度 CO2

今までやれていること
PHPで書いたプログラムでプラットフォームからのデータ受信
ThingSpeakでグラフ化
プラットフォーム
センサーからのデータ取り込んでプラットフォームへのデータ送信
MySQLへのデータ保存 ThingSpeakへのデータ送信

• センシング装置の製造(現在2台しかないので5台まで増やす)
• センサーデータの補正と正確化(時々変なデータを送っている)
• ThingSpeakで代用している UIページの製作
• LoRaとLoRaWANに関しての勉強
今後やらないといけないこと
まだまだ課題は山積みです

LoRAWANに触れて思ったこと
IoTビジネスに参画するパターンとして大きく次の2の場合が考えられます
1. センサーとかを作ったり使ったりするハード屋さんが参画
2. Webサービスやデータ解析をやっている企業の参画
このどちらの場合も大きな壁があると思います。
ハード屋はセンシング装置は作れても、データを受けたり処理したりプロ
グラムに関しては疎い、逆にWeb屋さんにはハードを作るのが大変
ココはハード屋さんとWeb屋さんで手を繋ぎましょう

最後に
福岡市LoRaWAN実証実験に参加して、まだ日が浅い為に十分な実験が出来
ていませんが、やってみたことをまとめていました。
勉強不足ゆえに間違った解釈もあると思いますので、お気づきの点はご指
摘ください。
私は福岡市内でハードウェアーの設計をメインとして個人事業主として活
動しています、IoT関連でお手伝いできることがありましたら声をかけて下
さい。
本日はご清聴ありがとうございました

2017年10月7日(土)
「オープンソースカンファレンス 21017 福岡」にて

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