Learn LoRa with Python and Raspberry Pi

這是我們在 PyCon TW 2017 的分享內容。

摘要：
在物聯網(IoT)的環境下會根據不同需求使用不同的無線通訊方式，而 LoRa 的特色在於長距離與低功耗。但目前 LoRa 並不像大多數成熟的通訊協定可以隨插即用，它的優點在於所有東西都可以自己做，缺點也在於所有東西都要自己做。
我們將分享 LoRa 原理與實做經驗，如何用 Raspberry Pi + LoRa 模組 + Python 打造一個微型閘道器(nano gateway)，包括在難以用軟體除錯與優化的情形下，如何使用 Python 自製一個頻譜分析儀來分析訊號。讓有興趣弄髒手的人能 happy hacking。

議程：
https://tw.pycon.org/2017/zh-hant/events/talk/348467557675565193/

Transcript

1. Leran LoRa with Python … and Raspberry Pi 台灣樹莓派 <sosorry@piepie.com.tw> Jun 11, 2017/PyCon Taiwan 2017
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. 這些場景需要哪種無線技術？ https://www.lora-alliance.org/portals/0/documents/whitepapers/LoRa-Alliance-Whitepaper_NBIoT_vs_LoRa.pdf 智慧電錶 農場監控 寵物追蹤 智慧城市
10. 不同無線傳輸技術的特點 https://www.slideshare.net/PeterREgli/lpwan
11. • LPWAN(Low Power Wide Area Network) 最近很夯的低功耗廣域網路 http://www.techbang.com/posts/49656
12. 從 OSI 模型看 LPWAN https://www.slideshare.net/infiswift/lpwan-for-iot-62591541
13. • 法國公司 Cycleo 設計 ,Semtech 在 2012 收購 • LoRa 是實體層 (PHY) 的調變技術 • 採用 CSS(Chirp Spread Spectrum) 調變技術 • 常用頻段 :433/470~510/868/915MHz • 低功耗 , 低資料率 , 長距離 , 低價格 • 低功耗 :RX<10mA, Sleep<200nA • 長距離 :500m 到 15Km • 靈敏度 : 低於 -137 dBm • 資料率 :0.3kbps 到 50kbps LoRa(Long Range)
14. • 調變：發射端將低頻訊號處理成高頻訊號以後送出 • 解調變：接收端將高頻訊號還原成低頻訊號 調變 / 解調變 http://goo.gl/wfXgjh 低頻訊號 高頻載波 傳送訊號
15. Chirp Spread Spectrum https://electronics.stackexchange.com/questions/278192 原始訊號 解調變後 FFT 將時域轉到頻域 原始訊號做 FFT 的結果
16. • 信用卡大小般的電腦 Raspberry Pi http://www.flickr.com/photos/fotero/7697063016/
17. 硬體規格 http://goo.gl/pXRxJd
18. 18 • C • C# • Ruby • Perl • Python • Scratch • Java Pi4J Library • Shell script 如何控制 Raspberry Pi 的 GPIO ? http://makezine.com/2013/04/14/47-raspberry-pi-projects-to-inspire-your-next-build/
19. • 特色 • 傳輸距離可達 15km • 長達 10 年的低功耗 ( 使用鈕扣電池 ) • 支援 433MHz/868MHz 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 • 最大輸出功率可達 +14dBm • 靈敏度可達 -143dBm • 每次最大傳輸 255bytes Microchip RN2483 LoRa Module
20. 系統架構 http://www.mouser.tw/new/microchip/microchip-rn2483-module/ RN2483 Raspberry Pi
21. • sys 設定系統與 GPIO • radio 設定射頻 • mac 設定 LoRaWAN 三種指令 主要設定指令
22. • radio set freq [868100000] • radio set bw [500] • radio set pwr [8] • radio set sf [sf11] • 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
23. Raspberry Pi + RN2483 天線 RN2483 Raspberry Pi
24. P2P Network Diagram 要有相同的頻率 (Freq), 展頻因子 (SF) 和頻寬 (BW) 才能收 + 發
25. lora = serial.Serial("/dev/ttyUSB0", 57600) • lora.write(b'radio set bw 500\r\n') lora.readline() lora.write(b'radio set sf sf11\r\n') lora.readline() lora.write(b'radio set freq 868100000\r\n') lora.readline() while True: lora.write(b'mac pause\r\n') lora.readline() t = int(time.time()) byte_cmd = bytes('radio tx ' + str(t) + '\r\n') lora.write(byte_cmd) lora.readline() lora.readline() Python 發送端程式
26. lora = serial.Serial("/dev/ttyUSB0", 57600, timeout=1) • • lora.write(b'radio cw off\r\n') • lora.readline() • lora.write(b'radio set bw 500\r\n') • lora.readline() • lora.write(b'radio set sf sf11\r\n') • lora.readline() • lora.write(b'radio set freq 868100000\r\n') • lora.readline() • lora.write(b'mac pause\r\n') • lora.readline() • • while True: • lora.write(b'radio rx 0\r\n') • • if lora.readline().strip() == "ok" or "radio_tx_ok" : • print( str(lora.readline().strip()) ) Python 接收端程式
27. • 從捷運古亭站到捷運南勢角站 (~5KM) 實測結果 興南路南勢派出所 和平西路 & 牯嶺街口 SNR=-11
28. 如何優化？
29. • 通訊領域常用 dB,dBm 表示相對強度或功率 • 對數相加減 = 常數相乘除 • dB 10 × log10(ratio) ≡ , 純量無單位 • 因此 10 倍增加標示為 +10dB, 而 1/100 標示為 -20dB • 如果是 2 倍增加 , 標示為 +3dB( 應為 +3.01dB) • dbm 10 × log10(Power)1mW ≡ • 因此 0.02 Watt 是 20mW, 也是 13dBm • 可以從 10dBm(10mW)+3dBm(2mW) 計算得來 先備知識
30. Bandwidth, Spreading Factor and Data Rate https://electronics.stackexchange.com/questions/309424 固定 BW 而改變 SF 會讓 Data Rate 和 Sensitivity 改變 BW SF Data Rate Sensitivity
31. Link Budget 計算 https://www.slideshare.net/PeterREgli/lpwan 最大傳輸距離
32. 如何估計 Link Budget ？ http://www.semtech.com/wireless-rf/rf-transceivers/sx1272/
33. • 量測隨頻率變化的輸入信號強度 • 硬體 • SDR(Software Defined Radio) • HackRF • 軟體 • GNU Radio • FreqShow(Python) 頻譜分析儀 (Spectrum Analyzer) http://jensd.be/755/network/lorawan-simply-explained
34. 用 RTL-SDR 分析頻譜
35. https://learn.adafruit.com/freq-show-raspberry-pi-rtl-sdr-scanner 設定參數 Waterfall 模式 Instant 模式
36. 用 Pi 做 LoRa Nano Gateway
37. • LoRa • LoRaWAN • LoRa Node • Gateway • Network Server 名詞解釋
38. • 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/
39. • 定址 :DevEUI, AppEUI • 使用 ALOHA, 沒有 CSMA 機制 , 三種 class LoRa Node https://www.thethingsnetwork.org/wiki/LoRaWAN/Home
40. • 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)
41. • 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
42. • 使用硬體 • Pi 3 x2 – https://www.piepie.com.tw/10684/55/ • Pi 3 x1 • Arduino x1 • Microchip RN2483 Module x4 – https://www.piepie.com.tw/14724/1420/ Pi 3 Arduino RN2483
43. LoRa 封包格式 https://www.semtech.com/images/datasheet/LoraDesignGuide_STD.pdf 非必要 傳送資料 1234
44. • 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
45. • 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
46. 架構 Sensor Node Nano Gateway Gateway-02 Gateway-01 Node-01 Node-02
47. Node-01 廣播 Sensor Node Nano Gateway Gateway-02 Gateway-01 Node-01 Node-02
48. Gateway-01 最早收到後回 ACK Sensor Node Nano Gateway Gateway-02 Gateway-01 Node-01 Node-02 ACK
49. Node-02 廣播 Sensor Node Nano Gateway Gateway-02 Gateway-01 Node-01 Node-02
50. Gateway-02 最早收到後回 ACK Sensor Node Nano Gateway Gateway-02 Gateway-01 Node-01 Node-02 ACK
51. LoRa Gateway 限制 https://github.com/maartenweyn/lpwansimulation/
52. DEMO
53. 53 Raspberry Pi Rocks the World Thanks