LoRa 技術介紹和實做

【活動/社群聚會】Raspberry Pi社群聚會 #18 會後資料
https://www.piepie.com.tw/15302/raspberrypi-meetup-18

這次分享包含:
1. LoRaWAN 與 LoRa 介紹。
2. 如何設計 LoRa 通訊協定。
3. 實做與展示。

購買 LoRa 模組(Microchip RN2483):
https://www.piepie.com.tw/14724/lrm001-usb-uart

Transcript

1. LoRa Technology and Implementation - Building a LoRa Nano Gateway 台灣樹莓派 <sosorry@piepie.com.tw> Mar 06, 2017/Raspberry Pi #18
2. 姓名標示 — 非商業性 — 相同方式分享 CC (Creative Commons) 姓名標示 — 你必須給予 適當表彰、提供指向本授權 條款的連結，以及 指出（本作品的原始版本）是否已 被變更。你可以任何合理方式為前述表彰，但不得以 任何方式暗示授權人為你或你的使用方式背書。 非商業性 — 你不得將本素材進行商業目的之使 用。 相同方式分享 — 若你重混、轉換本素材，或依本 素材建立新素材，你必須依本素材的授權條款來 散布你的貢獻物。
3. 3 • Raspberry Pi 官方經銷商 • 專注 Raspberry Pi 應用與推廣 , 舉辦社群活動 關於我們
4. 4 • COSCUP,MakerConf,PyCon,HKOSCon 講者 • 投影片 • https://speakerdeck.com/piepie_tw • 程式碼 • https://github.com/piepie-tw 分享 x 教學
6. 6 http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_Things
7. 物聯網技術重點之一在”無線傳輸”
8. 速度與距離的考量 https://www.slideshare.net/PeterREgli/lpwan 數公里以上 數百公尺到一公里 數十公尺 >10Mbps 100Kbps ~ 10Mbps <10Kbps
9. 不同無線傳輸技術的特點 https://www.slideshare.net/PeterREgli/lpwan
10. • LPWAN(Low Power Wide Area Network) 最近很夯的低功耗廣域網路 http://www.techbang.com/posts/49656
11. 從 OSI 模型看 LPWAN https://www.slideshare.net/infiswift/lpwan-for-iot-62591541
12. • LoRa • LoRaWAN • LoRa Node • Gateway • Network Server 名詞解釋
13. • LoRa 是實體層 (PHY) 的調變技術 • 採用 CSS 調變技術 • 常用頻段 :433/470~510/868/915MHz • 低功耗 , 長距離 , 高靈敏度 , 低資料率 • 低功耗 :RX<10mA, Sleep<200nA • 長距離 :500m 到 50Km • 靈敏度 : 低於 -137 dBm • 資料率 :0.3kbps 到 50kbps LoRa(Long Range)
14. • 定義網路系統架構與通訊協定 • 終端點採 LoRa 做長距離通訊 ( 星狀拓樸 ) • 和終端點的是通訊雙向 • AES 加密 LoRaWAN http://www.atim.com/en/technologies-2/lorawan/
15. • 定址 :DevEUI, AppEUI • 使用 ALOHA, 沒有 CSMA 機制 , 三種 class LoRa Node https://www.thethingsnetwork.org/wiki/LoRaWAN/Home
16. • 傳輸協定轉換 (ex:LoRa + WiFi) • 接收所有頻道的所有資訊 • 封包直接轉發到後端 (Network Server) Gateway https://en.wikipedia.org/wiki/Gateway_(telecommunications)
17. • 冗餘封包濾除 (CRC) • 安全性查驗 (Authentication/Authorization) • 最佳 ACK 路徑 (ACK Routing) • 適應性資料率 (Adaptive Data Rate, ADR) Network Server http://jensd.be/755/network/lorawan-simply-explained
18. Link Budget 計算 https://www.slideshare.net/PeterREgli/lpwan
19. 如何估計 Link Budget ？ http://www.semtech.com/wireless-rf/rf-transceivers/sx1272/
20. 用 Pi 做 LoRa Nano Gateway
21. • 使用硬體 • Pi 3 x2 – https://www.raspberrypi.com.tw/10684/55/ • Pi 3 x1 • Arduino x1 • Microchip RN2483 Module x4 – https://www.raspberrypi.com.tw/14724/1420/ Pi 3 Arduino RN2483
22. • 特色 • 支援 433/868 等頻段 • 支援 LoRaWAN class A 協定 • 整合 FSK, GFSK, LoRa 等調變技術 • UART 傳輸介面 + 類 AT 命令列控制 • 每次最大傳輸 255bytes Microchip RN2483
23. • sys 設定系統與 GPIO • radio 設定射頻 • mac 設定 LoRaWAN 三種指令
24. • radio set freq [868100000] • radio set bw [250] • radio set pwr [14] • radio set sf [sf12] • radio set wdt [0] • mac pause • radio rx 0 • radio tx [1234] 相關參數 頻率 頻寬 發射功率 Watchdog Timer 設定 Spreading Factor 停用 LoRaWAN 功能 傳送 1234 啟用連續接收模式 http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/40001784B.pdf
25. LoRa 封包格式 https://www.semtech.com/images/datasheet/LoraDesignGuide_STD.pdf 非必要 傳送資料 1234
26. • 限制 : • 只能傳送 0-F 資料 (Hex) • 每個符號以 ASCII 方式傳送 (1bytes) • Data 資料 : • 包含 id 與 content, 以 JSON 格式封裝 Payload 設計 Data CRLF Length SOH 1bytes 3bytes 2bytes char*bytes 0x01 0x0D 0x0A
27. • 接收端 ACK 機制與傳送時間 • 當接收端收到封包後 , 回傳 ACK(0x06) 與 id • 回傳時間與封包長度有關 • 發送端重送機制類似 class A • 傳送端發送完畢後 , 將等待一段時間等待 ACK • 如果沒有收到 ACK, 將用 ALOHA 方式重送 • 最大重送次數 <3 ACK 與重送機制設計
28. 架構 Sensor Node Nano Gateway Gateway-02 Gateway-01 Node-01 Node-02
29. Node-01 廣播 Sensor Node Nano Gateway Gateway-02 Gateway-01 Node-01 Node-02
30. Gateway-01 最早收到後回 ACK Sensor Node Nano Gateway Gateway-02 Gateway-01 Node-01 Node-02 ACK
31. Node-02 廣播 Sensor Node Nano Gateway Gateway-02 Gateway-01 Node-01 Node-02
32. Gateway-02 最早收到後回 ACK Sensor Node Nano Gateway Gateway-02 Gateway-01 Node-01 Node-02 ACK
33. LoRa Gateway 限制 https://github.com/maartenweyn/lpwansimulation/
34. DEMO
35. 35 Raspberry Pi Rocks the World Thanks