Design of an IP-Gateway for a LoRa Mesh Network

Abstract

This thesis designed and implemented a gateway between a Meshtastic-based LoRa mesh network and an IP network for the needs of the VEIVI project. The objective was to determine how such a gateway can be implemented and how well it meets the needs of the project in relaying messages between separate mesh networks and in collecting message data during field tests. The method was design science research: implementation alternatives were compared on the basis of a literature review and a requirements specification, a prototype was implemented, and it was evaluated against the requirements.

The gateway was implemented from commercially available components without custom firmware development, using the MQTT support built into the Meshtastic firmware together with a TLS-secured Mosquitto broker. In data collection, the published messages were deserialised and stored in a database itemised by message type.

Eleven of the twelve requirements were met. No packet loss was observed on the IP path in a measurement of 80 000 packets, and the mean round-trip time was 1.6 to 1.9 ms. In the field test, 99.5 % of the messages that the configuration of the nodes permitted to be relayed reached the broker. The gateway re-established an interrupted connection without manual intervention in all 27 trials, the median delay being 11 s. Messages transmitted during an outage survived the loss of the broker and of the internet connection but were lost when the local network failed. Scalability was assessed analytically: capacity is limited by the LoRa network rather than by the gateway or the IP side.

Työssä suunniteltiin ja toteutettiin yhdyskäytävä Meshtastic-pohjaisen LoRa-mesh-verkon ja IP-verkon välille VEIVI-projektin tarpeisiin. Tavoitteena oli selvittää, miten yhdyskäytävä voidaan toteuttaa ja kuinka hyvin se vastaa projektin tarpeisiin viestien välittämisessä erillisten mesh-verkkojen välillä sekä kenttätestien viestidatan keruussa. Menetelmänä käytettiin suunnittelutieteellistä tutkimusta: kirjallisuuskatsauksen ja vaatimusmäärittelyn pohjalta vertailtiin toteutusvaihtoehtoja, toteutettiin prototyyppi ja arvioitiin se vaatimuksia vasten.

Yhdyskäytävä toteutettiin kaupallisesti saatavilla olevista komponenteista ilman omaa laiteohjelmistokehitystä hyödyntämällä Meshtastic-laiteohjelmiston sisäänrakennettua MQTT-tukea ja TLS-suojattua Mosquitto-välittäjää. Aineistonkeruussa julkaistut viestit deserialisoitiin ja tallennettiin viestityypeittäin tietokantaan.

Kahdestatoista vaatimuksesta yksitoista täyttyi. IP-polulla ei havaittu pakettihäviötä 80 000 paketin mittauksessa, ja edestakainen viive oli keskimäärin 1,6–1,9 ms. Kenttätestissä brokerille päätyi 99,5 % niistä viesteistä, jotka solmujen asetukset sallivat välittää. Yhdyskäytävä muodosti katkenneen yhteyden uudelleen ilman käsin tehtyjä toimenpiteitä kaikissa 27 kokeessa, mediaaniviiveen ollessa 11 s. Katkoksen aikaiset viestit säilyivät välittäjän ja internetyhteyden katketessa mutta hävisivät lähiverkon kaatuessa. Skaalautuvuutta arvioitiin analyyttisesti: kapasiteettia rajoittaa LoRa-verkko, ei yhdyskäytävä tai IP-puoli.