基于Semtech SX1302開發之 LoRaEdge 追蹤器閘道器設計方案

本方案為介紹一個如何使用Semtech SX1302 mPCIe V3參考設計從硬件、韌體到網路服務器來開發可供LoRa Edge? 運作的LoRaWAN閘道器系統，在此方案中我們使用LoRa Edge?LR1110開發板來當作一追蹤節點來演示了如何架構成為為一個低耗電的全球導航衛星系統（GNSS）和無源Wi-Fi AP MAC掃描方式之地理定位系統 (LR1110是一個含有超低功耗的集成LoRa?收發器)。

方案優勢 

一、LoRa Edge? 架構將在地理定位系統中需要在本地端MCU做耗費時間的計算和計算所需要的功耗轉移到具有擁有龐大的地理位置資料庫的Semtech LoRa Cloud?上，這樣一來我們就可以節省追蹤器本地端淵來消耗最多的定位計算。這也就意味著可以實現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有的產品多上更多的使用時間或可以使用更小的電池來將產品小型化。

二、 使用LoRa改善傳輸技術改善通訊能力
對于追蹤器的應用來看長距離通訊為一最基本也是最重要的要求! 在眾多無線技術中我們先排除耗電高的行動電話通訊網路，除此之外現有的技術如 FSK(頻率偏移調變)、Zigbee、Bluetooth或是Wifi 等傳輸模式來做為通訊方式。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

依上表來看，如果我們要在此等追蹤器應用中來使用上列技術的話會有點挑戰性。所以我們以本方案來提出使用LoRa方式來解決如下問題

距離: LoRa 可提供高至-148 dB 的感度，可提供長距離及高穿透性的應用。

抗干擾: 使用展頻技術可提雜訊抗干擾能力。

省電: 低至0.1uA之耗電可提供長時間不需更換電池使用。

方案特色說明

本方案向對有興趣探索LoRa Edge?的開發人員和產品經理展示如何在Raspberry Pi上組裝、配置和構建具有LoRaWAN功能的LoRa Edge 閘道機，并演示如何使用LR1110開發板來驗證追蹤系統的運作。

工作原理描述說明

本方案的結構是使用Semtech SX1302 Core Cell版本的建議設計，其架構為一具有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 來架構閘道機后經設定其環境后將設備連接到Semtech Network Server及 Join Server并將它們與提供位置和設備服務的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ChirpStack閘道機

一. 建立網關

在本方案中將使用Raspberry Pi和SX1302 模組來構建網關。如果您不是使用Semtech參考設計的轉接板的話，您也可以參考樹莓派的SPI界面來SX1302聯系，詳細可參考附件的參考設計電路圖。閘道器的網路通訊部分是使用LoRaWAN協議的來與LoRa芯片的設備傳送和接收資料，并將它們傳遞到所連接的Semtech網絡服務器。

二. 制作樹莓派映像檔

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與樹莓派

1.  首先我們打開的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

四. 設定環境

1. 輸入Sudo gateway-config

2. 設定閘道機模式，此處我們選擇 SX1302 CoreCell

3. 檢查是否有出現閘道機的ID，如果沒有出現的話請在檢查連線

4. 設定以后可以自動連接的 Wifi 連線帳號密碼

5. 重新開啟閘道機

五. 驗證閘道機

輸入Sudo monit summary 查看閘道機是否啟動正常

如何申請Semtech LoRaWAN Server帳號

1. 申請帳號 ~ 至https://lora-developers.semtech.com/register 注冊帳號

2. 注冊閘道器 ~ 至 Gateway / Create中注冊閘道機

如何將閘道機連結到Semtech LoRaWAN Network Server

1. 產生認證

2. 由控制面板上可看到閘道機下的Certificate 已經產生下面三個認證

CA certificate

TLS certificate

TLS key

登錄認證

1. 進入閘道機面板選擇Bridge Config

2. 在MQTT選項下輸入 ssl://us915.mqtt.loracloud:8883

3. 將從Semtech Network Server 產生的 CA certificate，TLS certificate 及 TLS key寫入閘道機

4. 測試連線 ~ 于Semtech Network Server上驗證是否與閘道機取的聯系

功能測試及成果展示

1. 測試架構 ~ 此處我們是用Semtech 展示用追蹤器來測試與閘道器及Network Server之間的工作是否成功。因希望不要將后端的應用服務器及地圖服務器加入讓測試復雜化，所以此處我們僅測試追蹤器的數據是否傳送至閘道器并送至Semtech的Network Server。

2. 成果展示 ~ 由下圖可以看到當追蹤器開始工作后將資料送至Semtech的網路服務器，并顯示座標，固可證明閘道器確實有收到追蹤器的上傳資料并送至Semtech 定位資料庫來獲得座標。

3. 后續應用 ~ 使用者可以Network Server 內建之整合應用如下或是API將獲得的座標資訊另行開發應用

? 場景應用圖

? 產品實體圖

? 展示版照片

? 方案方塊圖

? Semtech SX1302 Module

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

? 核心技術優勢

LoRa Edge? 架構將在地理定位系統中需要在本地端MCU做耗費時間的計算和計算所需要的功耗轉移到具有擁有龐大的地理位置資料庫的Semtech LoRa Cloud?上，這樣一來我們就可以節省追蹤器本地端淵來消耗最多的定位計算。這也就意味著可以實現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有的產品多上更多的使用時間或可以使用更小的電池來將產品小型化。

? 方案規格

- 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