基于Semtech SX1302开发之 LoRaEdge 追踪器闸道器设计方案

本方案为介绍一个如何使用Semtech SX1302 mPCIe V3参考设计从硬件、韧体到网路服务器来开发可供LoRa Edge™ 运作的LoRaWAN闸道器系统，在此方案中我们使用LoRa Edge™LR1110开发板来当作一追踪节点来演示了如何架构成为为一个低耗电的全球导航卫星系统（GNSS）和无源Wi-Fi AP MAC扫描方式之地理定位系统 (LR1110是一个含有超低功耗的集成LoRa®收发器)。

方案优势 

一、LoRa Edge™ 架构将在地理定位系统中需要在本地端MCU做耗费时间的计算和计算所需要的功耗转移到具有拥有庞大的地理位置资料库的Semtech LoRa Cloud™上，这样一来我们就可以节省追踪器本地端渊来消耗最多的定位计算。这也就意味着可以实现非常低的能耗和快速的定位，因此追踪器将可以在相同的电池下比现有的产品多上更多的使用时间或可以使用更小的电池来将产品小型化。

二、 使用LoRa改善传输技术改善通讯能力
对于追踪器的应用来看长距离通讯为一最基本也是最重要的要求! 在众多无线技术中我们先排除耗电高的行动电话通讯网路，除此之外现有的技术如 FSK(频率偏移调变)、Zigbee、Bluetooth或是Wifi 等传输模式来做为通讯方式。但这些通讯方式或多或少都有其先天的限制，下面为我约略做的整理比较表

依上表来看，如果我们要在此等追踪器应用中来使用上列技术的话会有点挑战性。所以我们以本方案来提出使用LoRa方式来解决如下问题

距离: LoRa 可提供高至-148 dB 的感度，可提供长距离及高穿透性的应用。

抗干扰: 使用展频技术可提杂讯抗干扰能力。

省电: 低至0.1uA之耗电可提供长时间不需更换电池使用。

方案特色说明

本方案向对有兴趣探索LoRa Edge™的开发人员和产品经理展示如何在Raspberry Pi上组装、配置和构建具有LoRaWAN功能的LoRa Edge 闸道机，并演示如何使用LR1110开发板来验证追踪系统的运作。

工作原理描述说明

本方案的结构是使用Semtech SX1302 Core Cell版本的建议设计，其架构为一具有USB通讯功能之mPCIe界面之闸道器模组，我们使用支援LoRa Edge 之ChirpStack映像档烧入Raspberry 来架构闸道机后经设定其环境后将设备连接到Semtech Network Server及 Join Server并将它们与提供位置和设备服务的LoRa Cloud 互相连系以提供扫描到的GNSS、Wifi AP资讯并从云端获取地理位置。

如何使用SX1302 CoreCell 模组建构ChirpStack闸道机

一. 建立网关

在本方案中将使用Raspberry Pi和SX1302 模组来构建网关。如果您不是使用Semtech参考设计的转接板的话，您也可以参考树莓派的SPI界面来SX1302联系，详细可参考附件的参考设计电路图。闸道器的网路通讯部分是使用LoRaWAN协议的来与LoRa芯片的设备传送和接收资料，并将它们传递到所连接的Semtech网络服务器。

二. 制作树莓派映像档

1. 至https://www.balena.io/etcher/ 下载烧录程式后

2. 将下面连结之供Rpi3使用之映像档烧录如下图操作方式烧至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. 将SD卡放入Rpi3并送电

三. 连接PC与树莓派

1.  首先我们打开的PC的Wifi寻找名字为ChirpStackAP的AP，并输入密码连上。

2.  Wifi密码为ChirpStackAP

3.  使用SSH指令ssh admin@192.168.0.1登入闸道机

四. 设定环境

1. 输入Sudo gateway-config

2. 设定闸道机模式，此处我们选择 SX1302 CoreCell

3. 检查是否有出现闸道机的ID，如果没有出现的话请在检查连线

4. 设定以后可以自动连接的 Wifi 连线帐号密码

5. 重新开启闸道机

五. 验证闸道机

输入Sudo monit summary 查看闸道机是否启动正常

如何申请Semtech LoRaWAN Server帐号

1. 申请帐号 ~ 至https://lora-developers.semtech.com/register 注册帐号

2. 注册闸道器 ~ 至 Gateway / Create中注册闸道机

如何将闸道机连结到Semtech LoRaWAN Network Server

1. 产生认证

2. 由控制面板上可看到闸道机下的Certificate 已经产生下面三个认证

CA certificate

TLS certificate

TLS key

登录认证

1. 进入闸道机面板选择Bridge Config

2. 在MQTT选项下输入 ssl://us915.mqtt.loracloud:8883

3. 将从Semtech Network Server 产生的 CA certificate，TLS certificate 及 TLS key写入闸道机

4. 测试连线 ~ 于Semtech Network Server上验证是否与闸道机取的联系

功能测试及成果展示

1. 测试架构 ~ 此处我们是用Semtech 展示用追踪器来测试与闸道器及Network Server之间的工作是否成功。因希望不要将后端的应用服务器及地图服务器加入让测试复杂化，所以此处我们仅测试追踪器的数据是否传送至闸道器并送至Semtech的Network Server。

2. 成果展示 ~ 由下图可以看到当追踪器开始工作后将资料送至Semtech的网路服务器，并显示座标，固可证明闸道器确实有收到追踪器的上传资料并送至Semtech 定位资料库来获得座标。

3. 后续应用 ~ 使用者可以Network Server 内建之整合应用如下或是API将获得的座标资讯另行开发应用

► 场景应用图

► 产品实体图

► 展示版照片

► 方案方块图

► Semtech SX1302 Module

► LoRa Edge™ Tracker Evaluation Kit (For confirm Gateway Function)

► 核心技术优势

LoRa Edge™ 架构将在地理定位系统中需要在本地端MCU做耗费时间的计算和计算所需要的功耗转移到具有拥有庞大的地理位置资料库的Semtech LoRa Cloud™上，这样一来我们就可以节省追踪器本地端渊来消耗最多的定位计算。这也就意味着可以实现非常低的能耗和快速的定位，因此追踪器将可以在相同的电池下比现有的产品多上更多的使用时间或可以使用更小的电池来将产品小型化。

► 方案规格

- 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