基于Semtech SX1302開(kāi)發(fā)之 LoRaEdge 追蹤器閘道器設(shè)計(jì)方案

本方案為介紹一個(gè)如何使用Semtech SX1302 mPCIe V3參考設(shè)計(jì)從硬件、韌體到網(wǎng)路服務(wù)器來(lái)開(kāi)發(fā)可供LoRa Edge? 運(yùn)作的LoRaWAN閘道器系統(tǒng)，在此方案中我們使用LoRa Edge?LR1110開(kāi)發(fā)板來(lái)當(dāng)作一追蹤節(jié)點(diǎn)來(lái)演示了如何架構(gòu)成為為一個(gè)低耗電的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和無(wú)源Wi-Fi AP MAC掃描方式之地理定位系統(tǒng) (LR1110是一個(gè)含有超低功耗的集成LoRa?收發(fā)器)。

方案優(yōu)勢(shì) 

一、LoRa Edge? 架構(gòu)將在地理定位系統(tǒng)中需要在本地端MCU做耗費(fèi)時(shí)間的計(jì)算和計(jì)算所需要的功耗轉(zhuǎn)移到具有擁有龐大的地理位置資料庫(kù)的Semtech LoRa Cloud?上，這樣一來(lái)我們就可以節(jié)省追蹤器本地端淵來(lái)消耗最多的定位計(jì)算。這也就意味著可以實(shí)現(xiàn)非常低的能耗和快速的定位，因此追蹤器將可以在相同的電池下比現(xiàn)有的產(chǎn)品多上更多的使用時(shí)間或可以使用更小的電池來(lái)將產(chǎn)品小型化。

二、 使用LoRa改善傳輸技術(shù)改善通訊能力
對(duì)于追蹤器的應(yīng)用來(lái)看長(zhǎng)距離通訊為一最基本也是最重要的要求! 在眾多無(wú)線技術(shù)中我們先排除耗電高的行動(dòng)電話通訊網(wǎng)路，除此之外現(xiàn)有的技術(shù)如 FSK(頻率偏移調(diào)變)、Zigbee、Bluetooth或是Wifi 等傳輸模式來(lái)做為通訊方式。但這些通訊方式或多或少都有其先天的限制，下面為我約略做的整理比較表

依上表來(lái)看，如果我們要在此等追蹤器應(yīng)用中來(lái)使用上列技術(shù)的話會(huì)有點(diǎn)挑戰(zhàn)性。所以我們以本方案來(lái)提出使用LoRa方式來(lái)解決如下問(wèn)題

距離: LoRa 可提供高至-148 dB 的感度，可提供長(zhǎng)距離及高穿透性的應(yīng)用。

抗干擾: 使用展頻技術(shù)可提雜訊抗干擾能力。

省電: 低至0.1uA之耗電可提供長(zhǎng)時(shí)間不需更換電池使用。

方案特色說(shuō)明

本方案向?qū)τ信d趣探索LoRa Edge?的開(kāi)發(fā)人員和產(chǎn)品經(jīng)理展示如何在Raspberry Pi上組裝、配置和構(gòu)建具有LoRaWAN功能的LoRa Edge 閘道機(jī)，并演示如何使用LR1110開(kāi)發(fā)板來(lái)驗(yàn)證追蹤系統(tǒng)的運(yùn)作。

工作原理描述說(shuō)明

本方案的結(jié)構(gòu)是使用Semtech SX1302 Core Cell版本的建議設(shè)計(jì)，其架構(gòu)為一具有USB通訊功能之mPCIe界面之閘道器模組，我們使用支援LoRa Edge 之ChirpStack映像檔燒入Raspberry 來(lái)架構(gòu)閘道機(jī)后經(jīng)設(shè)定其環(huán)境后將設(shè)備連接到Semtech Network Server及 Join Server并將它們與提供位置和設(shè)備服務(wù)的LoRa Cloud 互相連系以提供掃描到的GNSS、Wifi AP資訊并從云端獲取地理位置。

如何使用SX1302 CoreCell 模組建構(gòu)ChirpStack閘道機(jī)

一. 建立網(wǎng)關(guān)

在本方案中將使用Raspberry Pi和SX1302 模組來(lái)構(gòu)建網(wǎng)關(guān)。如果您不是使用Semtech參考設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)接板的話，您也可以參考樹(shù)莓派的SPI界面來(lái)SX1302聯(lián)系，詳細(xì)可參考附件的參考設(shè)計(jì)電路圖。閘道器的網(wǎng)路通訊部分是使用LoRaWAN協(xié)議的來(lái)與LoRa芯片的設(shè)備傳送和接收資料，并將它們傳遞到所連接的Semtech網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

二. 制作樹(shù)莓派映像檔

1. 至https://www.balena.io/etcher/ 下載燒錄程式后

2. 將下面連結(jié)之供Rpi3使用之映像檔燒錄如下圖操作方式燒至SD Card
https://artifacts.chirpstack.io/downloads/chirpstack-gateway-os/raspberrypi/raspberrypi3/3.3.3/chirpstack-gateway-os-base-raspberrypi3-20201230135531.rootfs.wic.gz

3. 將SD卡放入Rpi3并送電

三. 連接PC與樹(shù)莓派

1.  首先我們打開(kāi)的PC的Wifi尋找名字為ChirpStackAP的AP，并輸入密碼連上。

2.  Wifi密碼為ChirpStackAP

3.  使用SSH指令ssh admin@192.168.0.1登入閘道機(jī)

四. 設(shè)定環(huán)境

1. 輸入Sudo gateway-config

2. 設(shè)定閘道機(jī)模式，此處我們選擇 SX1302 CoreCell

3. 檢查是否有出現(xiàn)閘道機(jī)的ID，如果沒(méi)有出現(xiàn)的話請(qǐng)?jiān)跈z查連線

4. 設(shè)定以后可以自動(dòng)連接的 Wifi 連線帳號(hào)密碼

5. 重新開(kāi)啟閘道機(jī)

五. 驗(yàn)證閘道機(jī)

輸入Sudo monit summary 查看閘道機(jī)是否啟動(dòng)正常

如何申請(qǐng)Semtech LoRaWAN Server帳號(hào)

1. 申請(qǐng)帳號(hào) ~ 至https://lora-developers.semtech.com/register 注冊(cè)帳號(hào)

2. 注冊(cè)閘道器 ~ 至 Gateway / Create中注冊(cè)閘道機(jī)

如何將閘道機(jī)連結(jié)到Semtech LoRaWAN Network Server

1. 產(chǎn)生認(rèn)證

2. 由控制面板上可看到閘道機(jī)下的Certificate 已經(jīng)產(chǎn)生下面三個(gè)認(rèn)證

CA certificate

TLS certificate

TLS key

登錄認(rèn)證

1. 進(jìn)入閘道機(jī)面板選擇Bridge Config

2. 在MQTT選項(xiàng)下輸入 ssl://us915.mqtt.loracloud:8883

3. 將從Semtech Network Server 產(chǎn)生的 CA certificate，TLS certificate 及 TLS key寫(xiě)入閘道機(jī)

4. 測(cè)試連線 ~ 于Semtech Network Server上驗(yàn)證是否與閘道機(jī)取的聯(lián)系

功能測(cè)試及成果展示

1. 測(cè)試架構(gòu) ~ 此處我們是用Semtech 展示用追蹤器來(lái)測(cè)試與閘道器及Network Server之間的工作是否成功。因希望不要將后端的應(yīng)用服務(wù)器及地圖服務(wù)器加入讓測(cè)試復(fù)雜化，所以此處我們僅測(cè)試追蹤器的數(shù)據(jù)是否傳送至閘道器并送至Semtech的Network Server。

2. 成果展示 ~ 由下圖可以看到當(dāng)追蹤器開(kāi)始工作后將資料送至Semtech的網(wǎng)路服務(wù)器，并顯示座標(biāo)，固可證明閘道器確實(shí)有收到追蹤器的上傳資料并送至Semtech 定位資料庫(kù)來(lái)獲得座標(biāo)。

3. 后續(xù)應(yīng)用 ~ 使用者可以Network Server 內(nèi)建之整合應(yīng)用如下或是API將獲得的座標(biāo)資訊另行開(kāi)發(fā)應(yīng)用

? 場(chǎng)景應(yīng)用圖

? 產(chǎn)品實(shí)體圖

? 展示版照片

? 方案方塊圖

? Semtech SX1302 Module

? LoRa Edge? Tracker Evaluation Kit (For confirm Gateway Function)

? 核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

LoRa Edge? 架構(gòu)將在地理定位系統(tǒng)中需要在本地端MCU做耗費(fèi)時(shí)間的計(jì)算和計(jì)算所需要的功耗轉(zhuǎn)移到具有擁有龐大的地理位置資料庫(kù)的Semtech LoRa Cloud?上，這樣一來(lái)我們就可以節(jié)省追蹤器本地端淵來(lái)消耗最多的定位計(jì)算。這也就意味著可以實(shí)現(xiàn)非常低的能耗和快速的定位，因此追蹤器將可以在相同的電池下比現(xiàn)有的產(chǎn)品多上更多的使用時(shí)間或可以使用更小的電池來(lái)將產(chǎn)品小型化。

? 方案規(guī)格

- Half-duplex mode i.e. can’t receive and transmit simultaneously - Simultaneously receive 8 LoRa? channels multi-data rates (SF5 ~ SF12 / 125 kHz) + 2 mono-data rate (LoRa? 250 / 500 kHz and FSK 50 kbps) - Maximum transmit output power (EU868/US915) = +27dBm - Maximum transmit output power (CN490) = +17dBm - Typical sensitivity level (US915): o -141 dBm at SF12 BW 125 kHz o -127 dBm at SF7 BW 125 kHz o -111 dBm at FSK 50 kbps