Leistungsfähiges Indoor LoRaWAN Gateway mit GSM-Unterstützung

Oktober 18, 2018

Das Kerlink Wirnet iFemtoCell Gateway ist ein leistungsfähiges und kostengünstiges indoor LoRaWAN Gateway. Es eignet sich ideal für die Erweiterung von bestehenden Funknetzen, um z.B. Konnektivität an schlecht erreichbaren Orten herzustellen. Auch können neue LoRaWAN Funknetze schnell und wirtschaftlich aufgebaut werden.

Es bietet ein offenes Entwickler Framework für Software Erweiterungen und läuft auf einem Standard Linux Betriebssystem.

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Produktname Kerlink Wirnet iFemtoCell
Kategorie LoRaWAN Gateway
Entwickler Kerlink
1 rue Jacqueline Auriol
35235 THORIGNÉ-FOUILLARD

 

Die wichtigsten Eigenschaften im Überblick

  • LoRa / LoRaWAN™ 1.0.1
  • Stromversorgung: externes 12V Netzteil
  • Semtech SX1301 LoRa Chip mit  49 x LORA Demodulatoren und 1x (G)FSK Demodulator
  • 2x Semtech SX1257 Transceiver
  • interne WLAN Antenne
  • SMA Anschluss für externe LoRa Antenne, mitgeliefert: 3dBi Dipol Antenne
  • Maße: Gehäuse ohne LoRa Antenne: 160x90x35mm
  • Zertifizierungen: EN 300 220

Unboxing  – Gehäuse und Verarbeitung

Das iFemtoCell Gateway hat ein weißes PC/ABS Gehäuse. Es kann mit Hilfe von 2 Schrauben an einer Wand befestigt werden. Die Maße des Gehäuses mit der mitgelieferten Antenne sind 220 x 125 x 35 mm.  

Das Gateway wird über ein mitgeliefertes, externes 12V Netzteil mit Spannung versorgt. Das Komplettgewicht von Gateway, abnehmbarer Antenne und externem Netzteil beträgt 280g.

Anschlüsse

 

 

 

 

 

 

 

 

Das Gateway besitzt

  • einen SMA Anschluss für die externe LoRa Antenne
  • einen RJ45 Anschluss für Ethernet Verkabelung
  • einen USB Anschluss für Firmwareupdates und GSM/3G/4G Dongles
  • eine DC-Buchse für das externe Netzteil
  • 3x zweifarbige LEDs mit folgender Bedeutung:

LED 1:

  • Rot blinkend: Kernel boot
  • Grün blinkend: System boot
  • Grün dauerhaft: Booten beendet, Gateway läuft

LED 2:

  • Rot dauerhaft: PacketForwarder nicht verbunden / Störung
  • Grün blinkend: PacketForwarder baut Verbindung auf
  • Grün dauerhaft: PacketForwarder ist verbunden

LED 3:

  • Rot: Gateway bootet
  • Grün blinkend: Empfang von LoRa Nachrichten
  • Rot blinkend: Senden von LoRa Nachrichten

Konfiguration und Betrieb

Das Wirnet iFemtoCell Gateway unterstützt von Haus aus 2 Betriebsvarianten:

  • den Betrieb über das Kerlink Wanesy Management Center (WMC)
  • den Betrieb über ein beliebigen LoRa Netzwerk Server

Da das Wirnet iFemtoCell Gateway auf einem Standard Linux Betriebssystem mit Zugriff über SSH basiert, können die Softwarebestandteile einfach ausgetauscht / aktualisiert werden. Die wesentlichen Pakete sind:

  • Betriebssystem (Firmware)
  • Packet Forwarder und HAL (Hardware Abstraction Layer)
  • optional: VPN Tunnel Paket

Für den Betrieb über das Wanesy Management Center (WMC), stellt Kerlink in dem WMC Wiki (Registrierung für den Zugriff notwendig) ein Software Komplettpaket zur Verfügung. Hier sind Firmware, Packet Forwarder + HAL sowie die VPN Tunnel Software enthalten.

Wird dieses Softwarepaket aufgespielt, kann das Gateway komfortabel über das WMC verwaltet, gesteuert und auch aktualisiert werden. Die LoRa Nachrichten können im WMC empfangen und/oder an LoRa Applikations Server von Drittherstellern weitergeleitet werden.

Die Nutzung des Kerlink WMC bedarf einer Registrierung und Nutzungsgebühr. Die Gebühren werden von Kerlink individuell berechnet.

Für den Betrieb mit einem LoRa Netzwerk Server eines Drittherstellers (z.B. Smartmakers ThingsHUB, TTN, Loriot, etc.) werden von Kerlink ebenfalls die notwendigen Softwarebestandteile wie Firmware und Packet Forwarder + HAL bereitgestellt. Die Dokumentation und der Download erfolgt über das Wirnet iFemtoCell Wiki.

Für den Zugang ist ebenfalls eine Registrierung bei Kerlink notwendig.

Neben den bereitgestellten und aufeinander abgestimmten Softwarepaketen von Kerlink, erlaubt das Wirnet iFemtoCell Gateway auch die Ausführung von eigenem Code in Form von kompilierten Programmen oder Skripten. Hiermit kann die Funktionalität des Gateways beliebig ergänzt oder geändert werden.

Für das Kompilieren von eigenen Anwendungen stellt Kerlink eine Toolchain sowie Bibliotheken und Header Dateien zur Verfügung. Denn da das Wirnet iFemtoCell Gateway keinen embedded Compiler enthält, muss die Kompilierung auf einem separaten PC erfolgen.

Die Anleitung sowie die bereitgestellten Dateien können ebenfalls aus dem Wirnet iFemtoCell Wiki heruntergeladen werden. 

Im folgenden Abschnitt erläutern wir den einfachsten und schnellsten Weg das Wirnet iFemtoCell Gateway auf die neueste Softwareversion für den Betrieb an einem beliebigen LoRa Netzwerk Server zu aktualisieren. Zum Zeitpunkt des Tests war dies die “Wirnet iFemtoCell Firmware v3.4.5 (September 2018)” zusammen mit dem “Semtech Packet Forwarder v3.1.0-klk18 (June 2018)”.

„Hands-on“ – das How-to in einzelnen Schritten

Je nach Softwareversion des Auslieferungszustands kann das Firmware Update des Gateways über LAN, USB oder WLAN erfolgen. Ein wesentlicher Versionssprung war von der Version 3.3.x auf 3.4.5. Bei diesem Versionssprung wurden die Zugangsdaten sowie der Ablauf von Updates mit mehreren Updatedateien geändert.

Um unabhängig von der ausgelieferten Version und ohne Vorwissen ein Update durchzuführen, bietet sich der folgende Weg an:

  • Update der Betriebssystem Firmware über einen USB-Stick
  • nachfolgendes Update des Packet Forwarders + HAL über WLAN und Webbrowser

Da das Wirnet iFemtoCell Gateway in allen Firmware Versionen ein Update über USB vorsieht, kann der USB Stick entsprechend der folgenden Anleitung vorbereitet und benutzt werden, ohne sich über das Netzwerk mit dem Gateway verbinden zu müssen um Dateien hochzuladen oder Versionen auszulesen.

Für das Firmware Update müssen auf einen leeren USB-Stick (FAT32 formatiert) folgende Dateien kopiert werden:

  • usb.autorun: dieses Skript wird beim Einstecken des USB-Sticks ausgeführt
  • usbkey.txt: Passwort, das geprüft wird bevor usb.autorun ausgeführt wird
  • keros_x.y.z.ipk: das eigentliche Firmware Paket

Eine funktionsfähige Vorlage für den Inhalt das “usb.autorun“ Skript wird im Wirnet iFemtoCell Wiki bereitgestellt. Dieses Skript wird nur ausgeführt, nachdem das Passwort aus der “usbkey.txt“ Datei erfolgreich überprüft wurde. Mit Hilfe des Passworts kann verhindert werden, dass beliebige Personen Updates auf das Gateway aufspielen. Bei Auslieferung ist das Standardpasswort “USBklkPassword”. Details wie man das Passwort nachträglich ändern sind ebenfalls im Wiki von Kerlink zu finden.

Wurde das Passwort erfolgreich geprüft, erfolgt das Firmwareupdate auf die neue Version. Das Gateway spielt das Betriebssystem auf und startet danach neu. Die 3 LEDs zeigen während diesem Vorgang immer den aktuellen Zustand an. Bedeutung der LED Farben siehe oben.

Ist die neue Firmware aufgespielt und wurde das Gateway neu gestartet (LED1 Dauergrün) kann nun das Update des Packet Forwarders bequem über den Webbrowser erfolgen. Die Firmware Versionen ab 3.4.4 öffnen nach dem Neustarten des Gateways für ein kurze Zeit ein temporäres Konfigurations-WLAN. Es ist zu finden unter der SSID “klk-wifc-xxxxxx”, wobei die letzten 6 Zeichen (xxxxx) für die letzten 6 Zeichen der Board-ID des Wirnet iFemtoCell Gateways stehen. Diese ist auf dem Aufkleber auf der Unterseite zu finden.

Für die Verbindung mit dem geschützten WLAN muss die MAC Adresse des Gateways als Passwort benutzt werden. Die MAC Adresse befindet sich ebenfalls auf dem Aufkleber auf der Unterseite des Gateways und muss ohne Leerzeichen / Sonderzeichen eingegeben werden. Die Verbindung mit dem Wirnet iFemtoCell WLAN dauert einen Moment. Der PC von dem aus die Verbindung hergestellt wird bekommt eine IPv.6 IP Adresse zugeteilt jedoch kein Gateway oder DNS Server. D.h. der PC kann seine normalen LAN Verbindungen bestehen lassen, da es keinen IPv.4 Adresskonflikt von typischerweise in lokalen Netzwerken genutzten IP Adressen gibt. Eine sinnvolle Implementierung von Kerlink!

Ist man mit dem iFemtoCell WLAN verbunden, kann die Konfigurationsoberfläche über die URL oder vielmehr den Namen “klk-wifc” erreicht werden.

Die Zugangsdaten ab der Version 3.4.4 lauten: “admin” / “pwd4admin”

Unter dem Menüpunkt “Administration / Update” können nun beliebige Softwarepakete im “.ipk” Format per Drag&Drop aufgespielt werden.

Die notwendige Datei für den Packet Forwarder wird von Kerlink bereitgestellt. Benutzt wird hierbei der Standard Semtech Packet Forwarder (SPF), der die LoRa Pakete über UDP an den LoRa Netzwerk Server (LNS) schickt und somit kompatibel mit den meisten existierenden LNS ist.

Im Test wurde die Datei  “spf_3.1.0-klk18_4.1.3-klk11_klk_wifc.ipk” erfolgreich aufgespielt. Der Updatevorgang wird anschaulich dargestellt.

Nachdem das Einspielen des Packet Forwarders abgeschlossen ist, sollte das Gateway über die Weboberfläche neu gestartet werden.

Leider wird die Version des aufgespielten Packet Forwarders nicht neben den anderen Informationen angezeigt.

Etwas schade ist, dass die Konfiguration des Semtech Packet Forwarders nicht über die Weboberfläche erfolgen kann. Für diesen Arbeitsschritt muss man sich zum Abschluss doch über WLAN oder LAN und SSH mit dem Gateway verbinden und die Einstellungen in der üblichen Datei “global_conf.json” auf der Kommandozeile durchführen.

Die LAN IP Adresse kann auf der Weboberfläche unter “Overview / Network status” ausgelesen werden.

Der SSH Zugriff kann mit den Zugangsdaten “root” / “pdmk-xxxxxx” erfolgen, wobei die letzten 6 Zeichen des Passwortes wiederum den letzten 6 Zeichen der Board-ID (Aufkleber Unterseite) entsprechen.

GSM / LTE Modem

Das Wirnet iFemtoCell Gateway bietet die Nutzung eines externen GSM USB Dongles für die Internetverbindung an. Eine Liste der unterstützten Modelle findet sich unter http://wikikerlink.fr/wirnet-ifemtocell/doku.php?id=wirnet-ifemtocell:cellular_backhaul

Für unseren Test benutzten wir das in Deutschland verbreitetste M2M Modem Huawei MS2372h-153. Nachdem wir die SIM Karte (Telekom) in den GSM Dongel eingelegt, den Dongle in den USB Anschluss des Gateways gesteckt und das Gateway neu gestartet haben wurde der Dongle auch sofort erkannt.

Für die USB Verbindung muss ein USB-Verlängerungskabel benutzt werden, da der Dongle aufgrund des vorstehenden Gehäuses nicht direkt in das Gateway gesteckt werden kann.

Wurde der Dongle erfolgreich erkannt, können die Zugangsparameter wie PIN, APN, etc.  komfortabel in der Weboberfläche eingetragen werden.

Fazit

Das Kerlink Wirnet iFemtoCell Gateway ist ein flexibles und kostengünstiges LoRaWAN Indoor Gateway. Die Konfiguration für die Nutzung des Kerlink LoRa Netzwerk Server “Wanesy Management Center (WMC)” ist einfach und komfortabel. Für die Verbindung mit einem beliebigen LoRa Netzwerk Server (LNS) eines Drittherstellers werden alle notwendigen Softwarebestandteile auf dem Kerlink Wiki bereitgestellt. Nutzer der weit verbreiteten Kerlink Wirnet Station finden sich auf dem Wirnet iFemtoCell schnell zurecht. Die Linux Umgebung und die Konfigurationsdateien sind sehr ähnlich. Der weit verbreitete Semtech Packet Forwarder lässt sich komfortabel per Drag&Drop über einen Webbrowser aufspielen und aktualisieren, die Konfiguration muss allerdings über die SSH Konsole erfolgen.

Das eingebaute WLAN zur Konfiguration / Administration ist komfortabel. Hier wäre es wünschenswert, dass auch die Konfigurationsdateien des Packet Forwarders geändert werden könnten und die aufgespielte Software Version angezeigt würde.

Die GSM Dongle Hardware Unterstützung hat bei dem Test auf Anhieb funktioniert. Die Konfiguration der PIN, APN, etc. über die Weboberfläche ist komfortabel. Die Notwendigkeit eines USB Verlängerungskabels um den GSM Dongle mit dem Gateway physikalisch verbinden zu können ist störend.

Bezug

Der Kerlink Wirnet iFemtoCell ist ab sofort in unserem Online Shop thingsHUB Market erhältlich. 

Verweis

Wenn Sie weitere Details zur Inbetriebnahme wissen wollen, lesen Sie den Gastbeitrag von Dr. Claus Kühnel, in dem er unter anderem Beschreibt, wie das LoRaWAN Gateway Kerlink Wirnet iFemtoCell für den Einsatz mit TTN und mit dem LNS von LORIOT konfiguriert wird.

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