LoRaWAN Ağı Nasıl Devreye Alınır?

Burak Cedetaş 


 

LoRaWAN  Ağ Yapısı 

LoRaWAN, uzun mesafe ve düşük güç tüketimi odaklı bir kablosuz iletişim protokolüdür. Şehir içinde 2-3 km, kampüs ve benzeri yerlerde 5-7 km, açık alanda 15 km mesafesi vardır. LoRaWAN, sahada pille çalışan çeşitli sensörlerin ağ geçitleri üzerinden bulut ortamına veri aktarmasına yönelik tasarlanmıştır. Bu sensörlerden alınan veriler sıcaklık, nem, hava kalitesi, su sızıntı durumu, su seviye durumu, bir elektrik kontak durumu, elektrik/su/doğalgaz sayaç değeri, kapı/pencere açık/kapalı bilgisi, ışık şiddeti, varlık sensörü bilgisi, yangın alarm bilgisi, başka bir elektronik cihazdan elde edilen herhangi bir değer olabilir.
 

LoRaWAN çift yönlü iletişim sağlamaktadır bu sayede sadece bilgi alma değil, uç cihazlara komut gönderimi de sağlanabilir. Bir kontakt açılıp kapanması, cihaz ayarları değiştirilmesi, yazılım güncellemesi yapılması, vana açıp kapatma, pompa çalıştırma ve kapatma gibi çeşitli komutlar örnek verilebilir.

LoRaWAN ağının genel yapısı  aşağıda  gösterildiği gibidir.
 

 

Uçtaki cihazlar, LoRaWAN yardımı ile internete bağlı olan ağ geçitleri (Gateway) ile haberleşirler. Bu ağ geçitlerinin görevi uç cihazlardan gelen paketleri Ağ Sunucusuna (LoRaWAN Network Server) iletmektir. Ağ geçitleri ilettikleri veriyi kaydetmez, içeriğini göremez. Genel anlamda sadece dönüştürme işlevini sağlarlar. Bir cihaz, birden fazla ağ geçidine aynı anda aynı mesajı gönderebilir, bu mesajlar ağ sunucusuna iletildikleri zaman aynı mesajın tekrar eden kopyaları silinir. Tek kopyası işlenir.

Bir LoRaWAN ağını oluşturmak için gereken temel 4 öğe bulunur,

•    Uç cihazlar
•    Ağ geçitleri
•    Ağ sunucusu
•    Uygulama sunucusu
 

 

Uç cihazların görevi daha önce belirtildiği gibi uçtan veri toplamak ve yukarı iletmek, aynı şekilde yukarıdan gelen komutları uygulamaktır.

Ağ geçitleri ise uçtaki cihazlar ile radyo iletişimini sağlamak ve internet bağlantısı kullanarak bu cihazları sunucular ile haberleştirme görevine sahiptir.

Ağ sunucusu LoRaWAN ağ geçitleri üzerinden gelen verileri toplar, tekrarlayan mesajların kopyalarını siler, ağın yönetimini (RF parametreleri, cihazlar vb.) sağlar.

Uygulama sunucusu, verilerin en son toplandığı ve görselleştirildiği, veya komutların uygulanabildiği kısımdır. Kullanıcı tarafına en yakın birimdir.
 

Devreye Alma

Bir LoRaWAN ağının devreye alınması, uç cihazların, ağ geçitlerinin, ağ sunucusunun ve uygulama sunucusunun yapılandırılması ile iletişimin çalışır düzeye getirilmesidir.

Genel anlamda iki adet devreye alma yöntemi vardır. Bunlar OTAA (Over-the-air Activation) ve ABP (Activation by Personalization). 

OTAA yönteminde uç cihazların içerisine kriptografik anahtarlar doğrudan yerleştirilmez, bunlar cihaz adresinden ve diğer değişkenlerden dinamik olarak oluşturulur. Ağ trafiği bu şekilde şifrelenir. Bu yöntem dilimize uzaktan etkinleştirme olarak çevrilebilir. 

Diğer yöntem, ABP, ise cihazlara ilgili kriptografik anahtarların gömülmesi ile sağlanır. Bu anahtarlar, cihaz fabrika çıkışında ayarlanmış olarak bulunabilir.

Devreye alma, aşağıdaki işlem basamakları ile sağlanır.
•    Ağ geçidi yapılandırması
•    Uygulama sunucusu ve ağ sunucularının yapılandırması
•    Uç cihaz etkinleştirme


Ağ Geçidi Yapılandırması

Ağ geçidinin çeşitli parametreleri ayarlanarak uç cihazlarla ve ağ sunucusu ile sağlıklı iletişim sağlanmalıdır. Ağ geçidinin en önemli parametreleri RF iletişim frekans grupları (kanalları) ve süre ayarlarıdır. LoRaWAN RF ayarları farklı bölgelerde farklı yasal gereksinimler olmasından yola çıkarak bölgesel gruplara ayrılmışlardır. Bu bölgesel ayar gruplarından bazıları aşağıdaki gibidir. Ülkemizde EU868 ve EU433 ayar grupları kullanılabilir.
 

Bölgesel ayar grupları numaralarını frekans değerinden almıştır. Ağ geçidinde bu seçim yapılmalıdır.
 

Bir LoRaWAN uç cihazı, güç tüketimini en aza indirmek için sürekli olarak alıcı modunda çalışmak yerine veri gönderimini yaptıktan sonra iki adet alım penceresi açar. Yukarıdan (ağ geçidinden) gelen sinyalleri bu alım pencerelerinden birinde alır. Alım pencereleri gönderimden belirlenen bir süre sonrasında açıldığı için, bölgesel parametreler içerisinde yer alan bu parametrenin de doğru olması önemlidir.

Ağ geçidi üzerinde yapılacak önemli bir ayar da, ağ sunucusu IP adres ve portunun kaydedilmesidir. Böylece ağ geçidi aldığı paketleri, bu sunucuya iletir.


Ağ Sunucusu Yapılandırması

Ağ sunucusu, sistemi kuran firma tarafından sağlanabilir, bulutta ya da kullanıcının yerel sunucusunda çalışabilir. Ağ sunucusunda bölge ayarları, genel ağ ayarları yapılmalı, RF parametreleri de ayarlanmalıdır.


Uç Cihaz Etkinleştirme

Uç cihazların etkinleştirilmesi için, cihaz bilgilerinin uygulama sunucusuna eklenmesi gerekir. Ekleme işlemi OTAA ve ABP yöntemlerine göre değişiklik gösterir.

OTAA Yöntemi 

 

Bu yöntem için uç cihazda yer alan aşağıdaki bilgiler, uygulama sunucusu üzerinden girilmelidir.

•    DEVEUI: Cihazın benzersiz adresidir. Boyutu 8 bayttır.
•    APPEUI: Uygulamanın benzersiz adresidir. Boyutu 8 bayttır.

Bu yöntem için aşağıdaki cihaz parametreleri uygulama sunucusu üzerinden kaydedilmelidir.

•    AppSKey: Uygulama oturum anahtarı.
•    NwkSKey: Ağ oturum anahtarı.
•    DevAddr: Cihaz adresi. OTAA modunda otomatik atanır, burada elle girilmelidir.

Bu aşamalardan sonra uç cihazlar ağ sunucusu ile haberleşebilir ve uygulama sunucusu, bu ağ sunucusuna bağlanarak istenilen verileri çeşitli protokoller üzerinden alabilir.