2018年3月24日 星期六

建立自己的LoRa網路 — RAK 831模組評析

作者：柯大
這次將為大家介紹RAK Wireless 出品的LoRa相關模組及開發板自建LoRaWAN網路，採用RAK811、RAK831模組為例。

一、RAK LoRa Node 模組

RAK811：採用SemTech SX1276 LoRa晶片，支援868MHz/915MHz
RAK811-N：採用SemTech SX1276 LoRa晶片，支援868MHz/915MHz
RAK812：採用SemTech SX1278 LoRa晶片，支援433MHz/470MHz
三種LoRa Node 模組均同時支援P2P自建LoRa網及LoRaWAN協議LoRa網
各晶片規格比較表（圖片來源：RAK官網）

二、RAK LoRa 開發板

Wisnode-LoRa： 採用RAK811LoRa模組
Wisnode-LoRa-LF：採用RAK812LoRa模組
這二種開發板採用RAK811 、RAK812 LoRa 模組，開發板相容Arduion Shield ，可直接插入Arduino 相容的所有MCU 開發板，如Arduino 系列：Arduino UNO R3、Aduino Leonado、Aduino Mega2560及MediaTeK Linkit ONE、RealTek Ameba 8195AM等開發板，可直接透過UART介面以AT Command 方式控制LoRa 開發板，其規格如下：
  • Wisnode-LoRa採用SX1276射頻晶片，Wisnode-LoRa-LF採用SX1278射頻晶片。
  • 完全符合LoRaWAN Class A＆C協定規範。
  • 支援UART AT多種命令格式，支援多Channel 頻段設定，可直接以AT Command更改串列傳輸速率及空中速率。
  • 遠距離LoRaWAN頻段：868/915MHz（LoRa點對點通信頻段為：868-1020MHz）
  • 最大輸出功率100MW（20dBm），輸出功率可在5~20dBM。
  • 高接收靈敏度：-130dBm@0.3kps（低至-146dBm）
  • 強抗干擾性，前向糾錯技術，傳輸距離3000m，空曠地域更遠5000m
  • 低功耗，待機功耗500nA，支持空中喚醒
  • 多通道，雙數據緩衝區（每個256位元組）
  • LoRa／FSK／GFSK／OOK調製，雙向半雙工通信。
Wisnode-LoRa開發板外觀（圖片來源：RAK官網）
各接腳介面（圖片來源：RAK官網）
Wisnode-LoRa開發板與瑞昱Ameba開發板組合圖（圖片來源：柯大創客屋）
Wisnode-LoRa開發板 AT Command 類型分為：系統命令、LoRaWAN 模式命令、LoRaP2P 模式命令、射頻狀態命令、模組命令等5種命令類型。UART 連線預設參數為：115200,N,8,1。

系統型命令：

  • at+version ：獲取模組版本資訊
  • at+sleep：進入睡眠模式
  • at+reset=<mode> ：重定模組或者重定LoRaWAN 協定
  • 0: 重定和重新開機模組
  • 1: 重定LoRaWAN 協定，模組將從Flash中載入LoRa 配置
  • at+reload ：恢復LoraWAN 或LoraP2P 設置到出廠參數。
  • at+mode=<mode> ：設置模組工作模式，預設為0 ，0: LoraWAN 模式，1:LoraP2P 模式

LoRaWAN模式命令：

  • at+join=<mode> ：加入LoraWAN 的網路配置。otaa : Over-The-Air Activation（空中啟動）；abp : Activation By personalization（手動激活）
  • at+band ：獲取LoraWAN 使用的頻段
  • at+get_config=<key> ： 獲取LoraWAN 的配置資訊, key 同上
  • at+set_config=<key>:<value>[&<key>:<value>][&<key>:<value>]…   設置LoraWAN 參數, Key 的設置如下：dev_addr, dev_eui, app_eui, app_key,nwks_key, apps_key, tx_power, adr, dr,public_net, rx_delay1, rx2, ch_list, retrans,duty
  • at+abp_info ：取得加入 abp 資訊。
  • at+signal ：檢查接收閘道的信號強度、信噪比，以最新接收的資料包為准。
  • at+dr=<dr> ：設置下一次發送資料的速率
  • at+send=<type>,<port>,<data> ：發送資料到LoraWAN 網路。<type> 0 ：不需要確認的資料包，1 : 需要確認的資料包；<port> 1-223：埠號從1 到22；<data> 十六進位值(不含空格)
  • at+recv=<status>,<port>,<len>[,<data>] ：從LoraWAN 或LoraP2P 網路中接收事件或資料。<status>：查看事件代碼表；<port>：LoraWAN 應用埠，當接收的是事件或者處於LoraP2P 模式時為0；<len>：LoraWAN 或者LoraP2P 接收資料長度， 最大64 位元組；<data>：LoraWAN 或者LoraP2P 接收的數據， 十六進位顯示(不含空格)。

LoRaP2P 模式命令

  • at+rf_config[=<freq>, <sf>,<bw>, <cr>, <prlen>, <pwr> ]：設置P2P 的TXD 和RXD 的射頻參數。<freq>：頻率，預設860000000(860000000 ~1020000000)；<sf>：擴頻因數，默認7 ( 6-10)；<bw>：頻寬，默認0( 0:125KHz, 1:250KHz, 2:500KHz)；<cr>：編碼率，預設1(1:4/5, 2:4/6, 3:4/7, 4:4/8)；<prlen>：前導碼長度默認8 (8-65535)；<pwr>：發送功率默認14 (5-20)
  • at+txc =<cnts>,<interval>,<datahex> ：設置Lora 連續發送參數。<cnts>：發送次數(1-65535)；<interval>：上一包發送成功或失敗的時間間隔，(10-3600000ms)；<datahex>：十六進位值( 不含空格) ，max 64
  • at+rxc=<report_en> ：設置Lora 連續接收參數，<report_en>：使能報告給主機或不使能
  • at+tx_stop ：停止Lora 連續發送
  • at+rx_stop ：停止Lora 連續接收

射頻狀態命令：

  • at+status[=0] 檢查射頻的狀態統計。Null: Response TxSuccessCnt, TxErrCnt,RxSuccessCnt, RxTimeOutCnt, RxErrCnt,Rssi, Snr；=0: 清除統計

模組命令：

  • at+uart [=<baud>,<data_bits>,<parity>,<stop_bits>,<flow_ctrl>] ：設置UART 配置參數。<baud>：(9600-921600) 支持串列傳輸速率列表，Default :115200；<data_bits>： (8) 8 位元數據位元；<parity>：(0/1/2)  0: PARITY_NONE，1: PARITY_EVEN，2: PARITY_ODD；<stop_bits>：(1/2)  0: 停止位的長度1 bit，1: 停止位的長度2 bit；<flow_ctrl>：(0/1) 0: Disable，1: Enable

三、RAK LoRa 多通道網路閘道模板

RAK831 LoRa/LoRaWAN閘道模組SX1301擴頻遠距離通信抗干擾多頻段、多通道高性能發射器/接收器模組，集成到閘道中作為該閘道的完整射頻前端，實現在LoRa閘道和大量的LoRa終端節點之間距離廣泛的通信。
半雙工的LoRa/LoRaWAN 閘道模組，採用Semtech 1301晶片， 8個上行，1個下行，發射功率20dbm，接受靈敏度最低-138dBm，空曠地域達15KM。採用SPI介面，可與Raspberry Pi 3 連接成一個LoRaWAN 8通道的LoRa Gateway。
閘道模板外觀（圖片來源：RAK官網）
各接腳介面（圖片來源：RAK官網）
閘板參數（圖片來源： RAK官網）
RAK831閘道模板與Raspberry Pi3組合連接圖（圖片來源：柯大創客屋）
RAK831閘道模板與Raspberry Pi3連接腳對照圖（圖片來源：RAK官網）

Raspberry Pi3接腳對照圖（圖片來源： Raspberry Pi Pinout Diagram | Circuit Notes）

LoRaWAN軟體安裝

在你的樹莓派成功啟動後，你需要設置一些配置項讓你的樹莓派來驅動RAK831 LoRa 閘道，當然你也需要讓樹莓派下載所必需要的文件。啟動SPI 介面：使用raspi-config 功能來啟動SPI 介面，你需要在命令列發送下面命令：$ sudo raspi-config，並配置介面項([5] Interfacing options -> P4 SPI) 和擴展檔案系統項([7] Advanced options -> A1 Expand filesystem)。
配置完成後，重啟系統：
重啟系統後畫面（圖片來源：柯大提供）
按照下列步驟安裝軟體：
  1.  sudo apt-get update
  2.  sudo apt-get upgrade
  3.  sudo apt-get install git
使用git 命令下载安装程序
  1. git clone -b spi https://github.com/ttn-zh/ic880a-gateway.git
  2. cd ic880a-gateway/
安裝程式，執行install.sh
  1.  sudo ./install.sh
  • 在安裝的過程中，會詢問你是否通過遠端設定檔安裝，你可以選擇‘y’或者‘yes’ 來繼續安裝，這時樹莓派就會自動下載網上提供的開源的代碼。你會在安裝的提示資訊中看到網關的EUI，請記住這個EUI 資訊，這很重要。
網關的EUI 資訊（圖片來源：柯大提供）
  • 如果你使用的是遠端配置，那麼你就必須擁有遠端設定檔。你需要在這個連結上創建，你的遠程設定檔， 設定檔為JSON檔，檔案名為剛才需要記住的設備EUI（e.g. B827EBFFFE7B80CD.json）
  • 由於是在別人的github 專案中提交自己的檔，因此需要別人的同意，你需要點提交申請，大概一天後，你的檔就會出現在該專案中。
檔案的內容，可以查看其它人提交的文件用作參考（圖片來源：柯大提供）
安裝程式會將您的Raspeberry Pi 的主機名稱更改為ttn-gateway（以防止在網路中與其他 Raspberry Pi 發生衝突）。安裝完成後，使用cd 命令，進入/opt/ttn-gateway/bin/資料夾，執行sudo ./start.sh 命令，程式就開始執行了。

到TTN網站註冊Gateway

RAK831 閘道安裝完成後，你需要到LoRa 網路服務商註冊閘道，由於使用的程式為TTN 提供的，因此只能使用TTN 做為網路服務商。首先，你需要註冊一個TTN 帳號，然後添加閘道設備。閘道設備的ID 請使用前面記住的設備EUI。如果你不太清楚如何註冊設備，請參考Gateway Registration的網站。
請勾選後再輸入裝置EUI 即可。
一旦註冊了閘道，就會看到閘道控制台頁面（紅色方框可以顯示閘道是否連接上）

不同的Start kit套件組合

RAK為了方便Maker朋友開發及體驗完整的LoRaWAN開發板，推出不同的Start kit套件組合，有興趣的朋友可上官網瞧瞧看有沒有適合你的解決方案。
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