Cómo transmitir datos en LoRaWAN, reduciendo el payload

Si estáis comenzando con LoRaWAN y más concretamente con el proyecto de The Things Networks os habréis dado cuenta (o estaréis a punto de hacerlo) que la información que se transmite por el aire debe estar lo más optimizada posible para reducir al máximo lo que se conoce como “time on air” o “airtime” (tiempo en el aire), es decir, el tiempo que necesitamos para transmitir nuestro mensaje desde el nodo emisor hasta el receptor (gateway). A más tiempo, más saturamos la frecuencia y a más tiempo también más consumo de energía. Por lo tanto es algo en lo que tenemos que pensar para que nuestro proyecto, la red TTN y la tecnología LoRaWan sea sostenible. Por ejemplo, para encender la calefacción a distancia, con un simple “1” sería suficiente para hacerlo.

Realmente hay serie de límites en la política de uso de TTN, un fairplay que limita los datos que puede enviar cada dispositivo al día, y que se resume en:

• Una media de 30 segundos de airtime (tiempo de aire) en el uplink (envío de datos a TTN).
• Un máximo de 10 mensajes de downlink (recepción de datos desde TTN), incluyendo los ACK’s (mensajes de confirmación).

Por lo tanto, es muy importante mantener un mensaje o payload lo más reducido posible y con intervalos de varios minutos entre cada envío. Adicionalmente hay que pensar que el protocolo de LoRaWAN añade 13 bytes a nuestro mensaje O_o.

Realmente hay mucha información al respecto de los límites de uso de LoRaWAN y a parte de la propia regulación de las frecuencias europeas, EU 863-870MHz ISM, que limita el uso al 1% para los datos.

En definitiva, tenemos que ser muy finos con el envío de los datos y por lo tanto es importante prestar atención en este aspecto. Y aunque parezca que 30 segundos de airtime en total al día es muy poco, debemos pensar que nuestros mensajes tardan milisegundos en ser enviados y que es una red pensada para dispositivos IoT (Internet of Things).

¿Y cómo se transmite la información?

Para enviar datos, tanto de ida (uplink) cómo de vuelta (downlink) a través de The Things Network, se usan bytes. Es decir, el mensaje que se envía es un churro de bytes (array) que contiene nuestra información. Por lo tanto, hay una serie de conceptos y limitaciones que tenemos que tener claros.

Vamos a ver un ejemplo de lo que NO se tiene que hacer y entenderéis exactamente la importancia de todo esto.

Ejemplo: El clásico termostato inalámbrico que mide la temperatura y decide en cada momento cuando encender y apagar la calefacción.

Imaginemos que nuestro nodo TTN basado en Arduino tiene un sensor de temperatura y cuando detecta que hace frio, envía un mensaje para encender la calefacción. El código mediante LMIC podría ser:

unsigned uint8_t mensaje[] = "encender";
LMIC_setTxData2(1, mensaje, sizeof(mensaje)-1, 0); 

Cuando enviamos nuestro paquete de datos, estamos enviando:

21 bytes: 8 bytes -> mensaje y 13 bytes -> Protocolo LoRaWAN

Vale, tal vez no incumplamos con los límites establecidos en el uso de LoRa y LoRaWAN, pero seguro que lo podemos mejorar. Mmmm,…y si le damos una vuelta? ¿cómo reducir el mensaje y por lo tanto su airtime y consumo energético?, fácil, no? y si reducimos el texto:

unsigned uint8_t mensaje[] = "ON";

Nuestro paquete pasará a:

15 bytes: 2 bytes -> mensaje y 13 bytes -> Protocolo LoRaWAN

¿Se puede mejorar?, claro que si!!!, si pensamos en valores numéricos y el encendido puede ser un ‘1’ y apagado un ‘0’:

byte mensaje[] = 1;

Nuestro paquete pasará a:

14 bytes: 1 bytes -> mensaje y 13 bytes -> Protocolo LoRaWAN

Es un ejemplo muy chorra y sencillo, pero la idea es que debemos pensar en la importancia de esto. Y sobretodo en el envío de texto, algo que realmente consume muchos, muchos bytes!!!. Por esa razón hay que establecer un protocolo de comunicación propio. Veamos otro ejemplo:

Supongamos que tenemos un nodo al que le hemos conectado tres sensores de movimiento: uno en la cocina, otro en el comedor y otro el baño. La idea es enviar información de las habitaciones que están ocupadas. ¿Podrías enviar la información del estado de todas las habitaciones en un solo mensaje de 1 byte (+13 bytes del protocolo LoRaWAN)?

Como sabemos que 1 byte son 8 bits, podríamos establecer que cada posición de un bit es el estado de una habitación, por ejemplo:

De esta forma un 00000101 estaríamos indicando que el baño y la cocina están ocupados. Enviaríamos 1 byte con el valor en decimal 5.

Con esta “técnica”, podrías saber en un mismo mensaje el estado de ocho sensores en modo de activado/desactivado o controlar por ejemplo 8 relés para activar/desactivar ocho dispositivos domóticos: luces, caldera, la cafetera,…

Hasta aquí todo bien, ¿pero que pasa si esa información la queremos enviar por HTTP desde TTN a un servicio web que solo acepta JSON?¿cómo transformamos o conectamos nuestra información de LoRaWAN con otros servicios o con nuestras aplicaciones?. Para estos casos nos fijaremos en el script Decoder(), el cual se define a nivel de la aplicación dentro de TTN, en el apartado Payload Formats.

Éste script se ejecuta automáticamente para cada paquete de entrada que recibe nuestra aplicación definida en TTN, y se utiliza para transformar la información que hemos codificado en origen en algo mas entendible.

Pero antes de pasar y ver un ejemplo, hay que tener en cuenta tres cosas cuando utilizamos estos scripts estándars de TTN (seguro que hay más, pero estas son para empezar a entrar en materia):

1. El lenguaje de programación es JavaScript
2. La información del payload se muestra en hexadecimal, por lo tanto en lugar los posibles valores que tiene un byte y que van de 0 a 255, se verán en hexadecimal de 00 a FF. Es cuestión de tenerlo claro.
3. Podemos simular la llegada de un payload (eso si en formato HEX hexadecimal).
4. El resultado de la función Decoder() se devuelve en formato JSON.
   Pues teniendo más o menos claro esto, podemos hacer una rutina como la siguiente:

Esto permite ver el valor recibido de una forma más amigable y entendible a simple vista, y además nos permite enviar ese JSON o adaptarlo para otro servicio web.

¿Y qué pasa con los otros tipos de datos mas complejos?

Hemos visto que para enviar información a través de LoRaWAN utilizamos un array de bytes, 1 byte son 8 bits, y 1 byte puede contener un valor de 0 a 255 en decimal, de 00000000 a 11111111 en binario o de 00 a FF en hexadecimal,…entonces ¿qué pasa con los números mas grandes de 255, con los números negativos o con los decimales?. Bien, para todos ellos hay una solución y en The Things Network hay un artículo donde nos explican que podemos trabajar únicamente con bytes para enviar cualquier valor numérico, aquí os dejo el link Working with Bytes.

En resumen: este post está orientado a concienciar en que debemos prestar atención en el consumo que supone el envío y recepción de datos a través de LoRa y LoRaWAN, y así poder seguir creciendo sosteniblemente esta red IoT. Esto solo lo conseguiremos si entre todos cuidamos de ella.

Actualización 22/06/2019: Aquí os dejo link a la presentación sobre el tema que he realizado: TTN-Optimizacion Payload.pdf