基於Microchip Atmega328 MCU與Semtech SX1276之環天LM130模組架構下的 LoRaWAN土壤監測方案

市場優勢一 (主要使用元件):

此方案的是使用台灣GPS大廠環天世通科技利用詮鼎所代理之SX1276 LoRa IC 所開發的LoRaWAN/Proprietary雙模之UART模組LM110H。
其具有下列三大市場優勢:

1. 把SX1276 SPI介面之複雜控制流程簡化成可以讓微處理器以AT-Command模式來設定參數及收發資料。
2. 將LoRaWAN通訊協議及控制流程簡化成可以讓微處理器以AT-Command模式來設定參數及收發資料。
3. 單一模組具有LoRaWAN及 Proprietary 兩種協定，可提供使用者能讓在產品設計上可以切換於不同的網路架構。

上述之優勢可以協助工程師減少在SX1276底層上的學習摸索，進而可以加快設計的時間。此等優點可以讓工程師將SX1276當作一個MODEM來使用，減少在程式上的複雜度而把設計重心可以放在系統流程上。

市場優勢二 (本方案所要解決之傳輸技術問題):

土壤溼度的應用大都使用在廣大地域或是溫室栽作的農作物栽植、公園綠化及家庭庭院之應用上。其主要是利用對環境之持續監測來獲得有效之灌溉方式，最大的的利基是解決水資源上的浪費以及找出適當的時機來提供水份給植物。 
在此等應用之系統架構一般都是使用實體有線、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，如果我們要在此等警告系統中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

1. 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。
2. 干擾: 使用展頻技術可提供高抗雜訊。
3. 省電: 低至1uA之耗電可提供長時間不需更換電池使用。

市場優勢三 (本方案所要解決之MCU控制技術問題):

對於需要負責整體設計但並不是專精於軟體開發的工程師來說，軟體部分會是一個門檻和負擔。特別是不同的開發環境有著不同的設定和操作技巧，這些都需要在熟悉上花上許久的時間。再者就算是相同廠牌之不同微處理器MCU也有著不同的初始設定和流程控制，在學習上需要花上許多時間而提高了難度。所以本方案就是解決此等問題，使用越來越廣泛把初始設定等簡化而把重心放在流程控制上的Arduino系統及ATMEL Atmega328微處理器來做示範。Arduino 近年來已經由當初的教學用到現在各大廠如Intel, ST, TI (Energia).. 等等公司的支援，所以對於物聯網之需要多樣應用需求來說不外是一個快速開發及修改的工具。

   延伸閱讀     基於使用環天LoRa專屬通訊協定與使用Semtech SX1276之 LM130模組架構下之火焰警告方案

   延伸閱讀     基於 Semtech SX1301之永洋科技IOG851 LoRa閘道機之一氧化碳偵測方案

使用場景及工作描述用說明

本警告系統是為了可以解決在一個大範圍長距離環境下之收集不同地點之土壤溼度資訊。其工作方式為利用兩電極之間之阻抗經初步放大後取出與濕度等比之電壓信號，再以微處理器轉換電壓成數值後再以LM-130 LoRaWAN模組發送至相對應之LoRaWAN閘道機後送至網路伺服器。之後再送至不同的應用伺服器如AWS、MQTT、Data Storage等等，此處我們使用MyDevices做示範。
本應用預設之使用場景如下:

1. 農田稻作、果園等經濟價值作物灌溉管理系統。
2. 高爾夫球場或公園草皮等灌溉管理系統。
3. 歐美型家庭之庭院花草灌溉管理系統。

環天LM-110H環境設定及操作使用說明

本方案所使用的環天LM-110H模組依頻段不同有410-525MHz (Model: LM-210L)及862-1020MHz (Model: LM-110H)兩個種類。此處因為設定使用於台灣、美國、日本等國家，所以選用LM-110HH。

下圖為實體相片及接腳尺寸圖。

 

該模組本身支援LoRaWAN及環天自有之MO.S.T.通訊協定。出廠預設為LoRaWAN，但可以使用AT Command方式切換到M.O.S.T.。LM-110H對外接腳除電源和天線外、具有一組可設定從1200/ 2400/ 4800/ 9600(Default)/ 19200/ 38400到57600bps速率的標準UART通訊埠。一BZ Pin提供MCU讀取模組工作狀態，另外如下圖所示提供P1 及P2供使用者在MO.S.T架構下選擇正常、喚醒、省電及設定四種使用模式。而在LoRaWAN模式則可以直接以終端機方式進入AT Command模式進行設定和控制。

如何安裝及使用YAT終端機來控制LM110模組以進行開發LoRaWAN產品?

1. 按下面連結下載YAT終端機軟體
https://sourceforge.net/projects/y-a-terminal/

2. 示範如何安裝YAT終端機軟體

https://www.youtube.com/watch?v=qStXFpAV1Ps

3. 演示如何開啟YAT終端機及設定快捷鍵

https://www.youtube.com/watch?v=3miACDeOC3Y&t=11s

4. 按下面連線圖連接USB to TART 及 LM110模組

 

如何使用Putty來與閘道機連線以及測試是否可以接收節點資料

1. 使用Window 搜尋來尋找Putty後啟動

2. 啟動Putty後使用SSH與閘道機Linux連線後設定網路伺服器及網路連線

https://www.youtube.com/watch?v=femTZtBKP8

3. 如何在Linux下測試閘道機可以接受到節點上傳之資料

https://www.youtube.com/watch?v=CmIUZuvFgY4&t=10s

4. 如果再Linux下面可以接收到資料，下一個我們就可以在網頁上連線到LoRaServer網路伺服器後，註冊網關及節點以及如何接收資料

https://www.youtube.com/watch?v=F3ZT0b9GoEI&t=25s

 

如何使用Arduino及Atmega328來開發應用

1. 至下面官網下載檔案後安裝

https://www.arduino.cc/en/Main/Software

2. 示範如何安裝 Arduino IDE

https://www.youtube.com/watch?v=piJb3b9A5go&t=13s

3. 如何啟動Arduino IDE以及編輯級組譯程式，和上傳至MCU

https://www.youtube.com/watch?v=cVoo5gB_jks

 

如何使用阻抗式土壤感測器來讀取資料

土壤濕度Moisture Sensor傳感器模組乃是利用兩電極之阻抗來探測出土壤含水量。 其供作原理乃是使用LM393將兩電極之阻抗轉換成比例之電壓信號，當土壤乾燥時LM393類比輸出電壓之數值將減小;反之將增大。 另外運算放大器也提供一個可用可變電阻來設定要控制之觸發臨界值，當濕度低於設定值時DO輸出高電平，如高於設定值時DO輸出低電平來提供觸發控制。

基本程式結構

 

成果演示