IoT – Internet of Things

• Geen eenduidige definitie

• “Dingen” verbonden met het Internet

• Niet bedoelt voor gebruikersinteractie*

• Uniek identificeerbaar (niet perse een IP adres)

• Zie Wikipedia, Forbes, Gartner, Oxford dictionary, IEEE (80 pagina’s ☺)

IoT – Marktverwachtingen

IoT – Marktverwachtingen (2)

IoT “Enablers”

• Lagere kosten (draadloze) verbindingen

• Lagere kosten sensoren en actuatoren

• Op basis van meer informatie beslissen en acteren

• Opkomst smartphone helpt

IoT (sensor) voorbeelden

• Klimaat sensoren

• Persoonlijke gezondheids sensoren

• Dieren of dingen met (GPS) trackers

• Auto’s met op afstand uitleesbare sensoren

• Sensoren t.b.v. gebouw en persoons beveiliging

• Slimme koelkast :-S

• …..

IoT toepassingen• Smart Home (geautomatiseerde verwarming, verlichting etc.)• Smart Cities (verkeer regelen, incidenten registreren, vrije

parkeerplaatsen, volle vuilniscontainers, geluidsoverlast).• Smart Farming (plaats specifiek bemesten, berekenen,

gewasbescherming)• Slimme auto's (zelfrijdend met externe inputs)• Gezondheids en ouderen zorg (persoons monitoring)• Persoonlijke informatie op basis van voorkeuren en omgeving.• Locatiebepaling door het netwerk (geen GPS modules nodig)• …

Géén IoT

• PC / Laptop

• Smartphone / Tablet

• Smart TV

• Weerstation zonder Internet koppeling

IoT Risico’s

• Privacy

• Beveiliging (geen OTA updates)

• Eigenaarschap van data

Verbindinstechnieken IoT

• Draadloos en bedraad

• Vaak sprake van “hybride” oplossingen

– De sensor of actuator module spreekt zelf geen TCP/IP

– Gebruikt een “gateway” om naar TCP/IP te gaan

• Maar steeds vaker naar IP end-to-end

– Vanwege goedkoper en krachtiger micro processoren

– IPv6 maakt dit mogelijk qua adres ruimte

Typisch voorbeeld IoT module: ESP8266

Verbindingstechnieken Bedraad

• Ethernet

• Powerline (+ G3PLC, Hanadu, X.10 )

• M-bus / Meterbus

– lage lagen (fysiek)+ hoge lagen zijn afgedekt, tussenlagen zijn naar behoefte te kiezen)

• Industriebussen (Modbus, ISObus, CANbus, IoTbus, etc.)

Wireless IoT verbindingstechnieken

• Onderscheid maken in verschillende bereiken

– WPAN (Personal area network: enkele meters)

– WLAN (Local area network: enkele 10-tallen meters)

– WHAN (Home area network, vergelijkbaar bereik)

– WMAN (Metropolitan area network)

– WWAN (Wide Area Network)

Near field / WPAN

• RFID (diverse afstanden)

• NFC (ca. 10 centimeter)

• ANT / ANT+ (tot ca 30 meter)

• Bluetooth / BLE (tot ca 100 meter (v2.1))

• 6LoWPAN 1 / 802.15.4 (L1 + L2) (ca. 10 meter)

• Infrarood / IrDA (enkele meters)

• Zigbee (10-20 meter)

WLAN

• Wifi / 802.11.<x> (data)

• Bluetooth 5 (45m / 400 m buiten, 2 Mbps, beacons) 1

• Z-Wave (smart home)

• DECT GAP / CAT-iq / DECT-ULE (smart home)

• Enocean (energy harvesting)

• X.10 RF (smart home)

WMAN / WWAN

• Mobiele netwerken– GSM / 2G (9.6 Kbps), niet meer in gebruik

– 2.5G / GPRS (56-114 Kbps) / EDGE (120-384 Kbps)

– 3G / UMTS (384 Kpbs – 2 Mbps) / HSDPA (600 Kbps – 10 Mbps)

– 4G / LTE (3-200 Mbps , theoretisch 1 Gbps)

• Wifi Halow / 802.11ah– Sub GHz ISM banden (EU / US / Wereldwijd) 1 2

– ca. 1 km / 100 Kbps

– Producten nog niet beschikbaar

• IEEE 802.16 / WiMAX• LPWAN’s

Low Power WAN’s (LPWAN’s)

• Low Power Wide Area Networks (LPWAN)• T.b.v. Sensoren werkend op batterijen• Maakt het draadloos verzenden over grote afstanden mogelijk• Tot voor kort (2015) de “missing-link” in IoT• Alles meten, overal en altijd

LPWAN technologieën

• Eigenschappen• Bereik: kilometers (2-30 km)• Laag Energieverbruik• Snelheid: bits / kbits per seconde• Operator / Eigen beheer• Schaalbaar• Publieke + Private netwerken• Lage kosten: apparaat + data transport

LPWAN technologien• LoRaWAN• Sigfox• NarrowBand – IoT (LTE Cat NB1)

LPWAN technologie - LoraWAN

• LoRaWAN (2015)• Bereik: 2 - 20 km (stad / platteland)• Snelheid: 300 bps – 50 kbps• Meerdere operators: commercieel en gratis • Technologie is open, veel open source software en hardware• Geschikt om eigen infrastructuur te bouwen• In Nederland geleverd door KPN en TTN• Schaalbaarheid en deking afhankelijk van operator (KPN)

of zelf te realiseren (TTN)

LPWAN technologie - Sigfox

• Sigfox (2009)• Bereik: 3 - 30 km (stad / platteland)• Snelheid: 10 – 100 bps• Max 140 berichten per dag• Sigfox = Technologie + Operator

• Technologie is bedrijfseigen

• Niet geschikt om eigen infrastructuur te bouwen of dekking te realiseren.

• Schaalbaarheid en dekking afhankelijk van operator (Sigfox)• In Nederland geleverd door Aerea (Rotterdam)

LPWAN technologie – NB-IoT

• NB-IoT (2016)• Bereik: 3 - 30 km (stad / platteland)• Snelheid: 20 / 250 kbps• Alleen geleverd door GSM operators• Technologie is open maar infrastructuur is duur• Niet geschikt om eigen infrastructuur te bouwen of dekking

te realiseren.• Schaalbaarheid afhankelijk van operator • In Nederland geleverd door T-mobile en Vodafone• Uitrol juist gestart

ISM-bandenIndustry – Scientific - Medical

ISM-banden, wat kan en mag er, en wat is er gereguleerd (EU)

• In Europees verband geldt voor deze Short Range Devices de Europese beschikking 2006/771/ EC inzake de harmonisatie van het radiospectrum voor gebruik door korteafstandsapparatuur.

• Vergunningsvrije toepassingen mogen zowel zakelijk als privé worden gebruikt. Ook commerciële dienstverlening aan derden is toegestaan.

• Encryptie is toegestaan.

• Elk type antenne is toegestaan. Bij de keuze van de antenne moet men wel rekening houden met de antenneversterking. Door de antenneversterking kan het maximaal toegestane uitgestraalde vermogen worden overschreden.

• Vrijgestelde toepassingen delen de toegewezen frequentiebanden in de meeste gevallen met andere gebruikers. Belemmeringen in het gebruik, veroorzaakt door andere legale toepassingen, moet de gebruiker accepteren.

EU 863-870MHz Frequency Plan The Things Network

Uplink:

1. 868.1 - SF7 BW125 to SF12 BW125

2. 868.3 - SF7 BW125 to SF12 BW125 and SF7 BW250

3. 868.5 - SF7 BW125 to SF12 BW125

4. 867.1 - SF7 BW125 to SF12 BW125

5. 867.3 - SF7 BW125 to SF12 BW125

6. 867.5 - SF7 BW125 to SF12 BW125

7. 867.7 - SF7 BW125 to SF12 BW125

8. 867.9 - SF7 BW125 to SF12 BW125

9. 868.8 - FSK

Downlink:

• Uplink channels 1-9 (RX1)

• 869.525 - SF9 BW125 (RX2 downlink only)

ISM-banden, wat kan en mag er, en wat is er gereguleerd (EU)

On-Off Keying (CW) Frequency-shift Keying LoRa (CHIRP)Source: Matt Knight

28

LoRa modulatievorm: CHIRP-SSCompressed High Intensity Radar Pulse – Spread Spectrum

Tijd

LoRa explainedLoRa modulatievorm: fasesprongen

LoRa explainedDemodulatie

LoRa explainedDemodulatie

LoRa is relatief ongevoelig voor interferentie

Spreading Factor

• Iedere volgende Spreading Factor verdubbelt de tijdsduur van de chirp

• Vanwege de interferentie-ongevoeligheid, werkt de Spreading Factor ook als “kanaal”

LoRa Spreading Factors (125 KHz bandwidth)Spreading

Factor

Chirps/symb

ol

SNR limit Time-on-air

(10 byte

packet)

Bitrate

7 128 -7.5 56 ms 5469 bps

8 256 -10 103 ms 3125 bps

9 512 -12.5 205 ms 1758 bps

10 1024 -15 371 ms 977 bps

11 2048 -17.5 741 ms 537 bps

12 4096 -20 1483 ms 293 bps

34

35 Spreading Factor in relatie tot bereik

Linkbudget tussen zender en ontvanger

-137

Linkbudget =151 dB (bij SF12)

(= 25 mW)

Friis

vergelijking

Shannon – Hartley

Theorem

De praktijk is weerbarstiger

Veel weerbarstiger…

Antennehoogte t.o.v. straat ~ 8m

Dekking in de wijk (zelfs achter flats), met uitschieters tot 4 Km

Gemeten met SF7 (de meest ongunstige spreading factor)

Maar we geven niet op…

V-tower, antennehoogte t.o.v. straat ~ 47m

Ruime dekking rond Eindhoven Airport

Gemeten met SF7 (de meest ongunstige spreading factor)

LoRa modulatie samengevat

• Eenvoudig (lees relatief goedkoop) in devices te implementeren

• In hoge mate immuun voor interferentie, multipath en fading

• Bestand tegen enige doppler shift

• bruikbaar voor bewegende devices

• geen hele hoge eisen aan de klok (normale kristallen voldoen)

• Goede ontvangstgevoeligheid (tot 20 dB onder de ruisvloer)

dus groot linkbudget

• Belangrijke elementen van LoRa zijn gepatenteerd door Semtech,

dus apparatuur is niet spotgoedkoop…

LoRaWANCommunicatieprotocol en systeemarchitectuur ten behoeve van een netwerk

Structuur van de berichten over de LoRa link

LoRaWAN

LoRaWANReference Implementation

Device Classes

Class A devices

Packet RX slot

1

RX slot

2Node

Gatewa

y

End device

sleeps

1 sec (± 20µs) 1 sec (± 20µs)

14 dBm (25

mW)

Same freq and

SF

Up to 27 dBm (500

mW)

869.525 MHz, SF12

Received by all

Gateways in

range

Network

determined most

suitable Gateway

to transmit

ALO

HA

The Things Network – Fair Use Policy

Message from Gateway to Network

{ "gw_id": "eui-fffeb827eb75534e",

"payload": "QJ8qASaACAABivnC6sv/YACbhRZF/g==",

"f_cnt": 8,

"lora": {

"spreading_factor": 12,

"bandwidth": 125,

"air_time": 1482752000

},

"coding_rate": "4/5",

"timestamp": "2017-05-21T19:05:12.551Z",

"rssi": -113,

"snr": -0.5,

"dev_addr": "26012A9F",

"frequency": 868300000

}

}

Arduino code voor een node (1)#include <SoftwareSerial.h>

#include <TheThingsNetwork.h>

#define debugSerial Serial

#define freqPlan TTN_FP_EU868

SoftwareSerial loraSerial(3, 4); // RX, TX

TheThingsNetwork ttn(loraSerial, debugSerial, freqPlan, 7);

OneButton button(buttonPin, true);

const char *appEui = “HEDX734MDLS83JDH";

const char *appKey = “DHFO5SCSSDJPDNPSDNP3SNPY";

byte data[2];

Arduino code voor een node (2)

void setup()

{

loraSerial.begin(57600);

debugSerial.begin(9600);

ttn.join(appEui, appKey);

ttn.showStatus();

}

void clickPressed(void)

{ttn_response_t resultCode;

resultCode = ttn.sendBytes(data, sizeof(data), 1, false);

switch(resultCode)

{case TTN_SUCCESSFUL_TRANSMISSION:

debugSerial.println("TTN_SUCCESSFUL_TRANSMISSION");

break;

case TTN_SUCCESSFUL_RECEIVE:

debugSerial.println("TTN_SUCCESSFUL_RECEIVE");break;

}}

The Things Network - TTN

• Opgezet door Wienke Giezeman

• Zag de mogelijkheden van LoRaWAN

• Beperkte investering: Amsterdam dekkend

– Gerealiseerd in 6 weken m.b.v. partners

• Gateways nog relatief duur (€ 1500,-)

• Streefbedrag gateway naar € 200,-

TTN - financiering

• € 200 gateway + 2 type nodes

• Crowdfunded via Kickstarter

• Streefbedrag € 150.000

• Na 1 dag 50% binnen

• Na 7 dagen 100% binnen

• Eindbedrag € 295.331

€ 200,- Gateway (€ 50,- verzendkosten )€ 40,- Arduino bordje met LoRaWAN€ 60,- Handheld Node met sensoren

Geplande leverdatum: juli 2016….

TheThingsNetwork Community

• Website: https://www.thethingsnetwork.org/

• Forum: > 3700 deelnemers: https://www.thethingsnetwork.org/forum/

• Steden communities: https://www.thethingsnetwork.org/community

– Eindhoven

• Slack forum, vele channels: https://thethingsnetwork.slack.com

• Labs – Instructies zelfbouw https://www.thethingsnetwork.org/labs/

• Documentatie: https://www.thethingsnetwork.org/docs/

TheThingsNetwork Community

• Zelf aangeschafte gateways: > 900

• Professionele backend software ontwikkeld

LoRaWAN producten

• Gateways: “zelfbouw” en professioneel

• Nodes: zelfbouw en kant-en-klaar– Typische componenten

– Verschillende opbouw

• Praktische ervaringen

LoRaWAN gateways• Allemaal min of meer dezelfde opbouw (Semtech SX)

• Professionele merken– Kerlink (ca. € 1200,-)

– Multitech (ca. € 500,-)

– RFI Engineering L-Gateway

– Laird Sentrius RG1xx (ca €270,-)

• Door leverancier geïntegreerd– Ideetron Lorank8 (ca. € 480,-)

– IMST Lite Gateway (ca. € 250,-)

• “Zelfbouw”– IMST880a + Raspberry Pi ()

– RisingHF RHF0M301 + Raspberry Pi (see also TTN forum)

– Antratek Seeeduino (ca € 460)

– LinkLabs 868 MHz LoRaWAN RPi Shield + Raspberry Pi (niet meer leverbaar)

• See also TTN Docs en TTN Labs

Thermo-koppel

MAX6675

LichtSensorBH1750

Radio Module

Micro Processor / Controller

TemperatuurSensor

DS18B20

SX127xRF

Circuit

SPI1-Wire Analoog

A/D conv.Firmware

LoraWANStack

Antenne

UARTSPI

A/D conv.A/D conv.

Accelero-meter

ADXL335

I2C

A/D conv.

LoRaWAN nodes – schema

LoRaWAN nodes – Radio Modules

• Alle modules gebaseerd op Semtech SX1272 of SX1276

• HopeRF RFM95 (ca. € 6,-) – simpele radio module, populair

• Microchip RN2483A (ca. € 12,-) – geïntegreerde LoRaWAN stack

• Laird RM186 (ca. €17,-) – incl. uP met smartBASIC + BLE

• Murata CMWX1ZZABZ-078 (ca. 17,-)– incl. uP STM32L (datasheet)

LoRaWAN demo / development nodes

• Microchip LoRa Mote (ca. € 65,-)

• Microchip LoRa PICtail/PICtail Plus Board (ca. € 60,-)

• STM32 LoRa Discovery kit gebaseerd op all-in-one module Murata CMWX1ZZABZ-091

• Pycom LoPy (ca. € 40,- OEM ca. € 15,-)

• Marvin (Kickstarter) (ca. 90,-) (door RDM makerspace)

LoRaWAN zelfbouw nodes

• Hardware– Raspberry Pi + Microchip Lora Pictail + GPS (via USBserial) – t.b.v. ttnmapper

– Teensy LC + RFM95 + DS18B20 + BME280 (low power)

– Wemos D1 mini (ESP8266) + RFM95 + SD-card + GPS (tracking device in voertuigen)

• Software– LMIC LoRaWAN stack voor RFM95 gebaseerde nodes (SPI naar SX1272 of SX1276)

– Arduino sketch met benodigde libraries

– òf Library t.b.v. RN2483 (b.v. Sodaq RN2483)

– òf Smartbasic (Laird)

– Zie ook TTN Labs – nodes

• Low Power tips– Teensy LC: low power library (4.4 uA in hibernate)

– BME280: Adafruit => Sparkfun + write register

LoRaWAN zelfbouw nodes - ervaringen

• Relatief eenvoudig te bouwen

• Tegen lage kosten

• Veel Chinese spullen gewoon goed– Lage prijzen, goede functionaliteit, nog geen storingen

– Enkele miskopen:• Wemos D1 mini clonen: onstabiel

• 9900 mAh Li-ion accu’s: fragiele beschadigde lader, accu’s hebben ca 10% van beloofde capaciteit.

LoRaWAN / LPWAN commerciële nodes

• Muizenvallen en Rattenvallen (zie xignal)

• Klimaat metingen t.b.v. landbouw (zie Fieldmate) (Sigfox gebaseerd)

• Electriciteitsmeters (zie Digimondo, Adeunis)

• Diverse nodes

– Adeunis (ook Sigfox)

– Libelium (ook Sigfox)

– SeNet (ook eigen LoRaWAN netwerk in VS)

Bepalen van LPWAN dekking

• TTN: TTN mapper

• KPN: via test backend (75.000 metingen)

• Sigfox: via backend (900 metingen)

– dekking bewegende nodes lijkt beperkt

– Vaste nodes hebben i.h.a. goede dekking

• NB-IoT: T-Mobile juist gestart

Demo

• Node-red als front-end naar TTN?

• Nodes op verschillende SF’s, verschillende payloads

• Nodes tegelijkertijd op verschillende frequenties

• Nodes tegelijkertijd op één frequentie (verschillende SF’s)

• LoRaWAN single channel gateway

• Sigfox signaal in SDR (Ultra narrowband)

• TTN Console + Node-red voor nieuwe node

• TTN Console integratie

• Voorbeeldje metingen Grafana + ontdekken “overspraak”

Backup slides

• Lora Chirps explained

Backup slides - webshops• Aliexpress (Lora modules, sensors, uP’s)• Antratek (diverse Nodes en gateway)• Ideetron (Lorank8, RFM95, antennes)• IMST (concentrator boards & nodes)• Pcbs.io (PCB’s)• Seeedstudio (Gateways & hats)• Sodaq (development nodes, trackers, solar based)• SosSolutions (LoPy)• Tindie (Lora modules, PCB’s)• TinyTronics (workshop node, sensoren, uP’s)