基於使用環天LoRa專屬通訊協議與使用Semtech SX1276之 LM130模組架構下之火焰警告方案

市場優勢

解決問題一 (如何快速佈建LoRa之專屬通訊協議網路):

許多工程師知道LoRa調變技術可以提供長距離的通訊能力，但是在進入到要使用哪一種通訊協議的架構卻碰到問題。 因為LoRa通訊技術為開放式的架構，可以按照不同的使用情境來規畫從小至一對一的雙向通訊到大到國家級整個網路通訊協議架構。大的架構我們可以使用LoRaWAN協會所制定的協議，只要產品通過驗證就可以加入網路如GSM系統一般。但是如果我們的使用情境如家庭或是農場等小規模並且是封閉的應用，那樣就會有需要架設一個可以支援到幾千個節點的LoRaWAN基地台來支援可能不到數十個應用節點的成本效益考量。細節請參考下面所整理的成本分析。

如上圖來看，在小型化或封閉系統來看LoRa專屬架構是比較符合成本效益的。但是如何來規劃一個網路架構及通訊協議對工程師來說會是一個卡關的難點，因為如何規劃不同的通訊模式如即時、喚醒、休眠..等需求。再則需要驗證整個系統是否能持續穩定的工作也是需要耗費時間及人力的。所以我們提出這個使用方案環天專屬通訊架構 M.O.S.T. Link就是來幫忙開發人員能快速的上手把重心放在應用上，加快產品上市的先機。

解決問題二 (如何使用模組簡化設計及加快開發):

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Semtech SX1276 所開發的UART模組LM130H1，其市場優勢是把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。此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。在則使工程師可以將SX1276當作一個MODEM來使用，此點也可以讓工程師簡化程式上的複雜度。

解決問題三 (使用LoRa改善傳輸技術改善通訊能力):

對於大樓建築、工廠或是農場以至於如歐美之家庭之安全需求是一大需求，對於此類安防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. 感擾: 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。

   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

使用場景及特色說明

本方案是為了解決在一個只需要數十個節點規模或是封閉系統應用場景下之火警偵測系統，其特點是使用單通道之網關。這個架構下可以大大節省整個成本，大致上設定的使用場景如下:

1. 家庭、宿舍、大樓之火警監測。
2. 農場，農舍，畜牧等堆放易燃物品處火警監控。
3. 工廠及倉儲系統之火警監控。
4. 森林火警監控

 

工作原理描述說明

在此方案中，我們使用基於紅外線感應的的火焰傳感器。其基本架構為使用YG1006傳感器，該傳感器是一種高速且高靈敏度的NPN矽光電晶體管。它可以檢測波長範圍從700nm至1000nm的紅外光，檢測角度約為60°。火焰傳感器感測到事件後再經電路中的LM393運算放大器將信號放大整形後提供足以供微處理器判讀的等比電壓，其靈敏度可以通過改變板載電位器來調節。微處理器每隔一預設時間讀取傳感器之數值，當期數值大過於預設值或是比值超過平均背景值時開始以指令經UART傳送至LM130H1模組後經空氣傳送至閘道機。

如何使用環天M.O.S.T進行開發設計說明

一 解析M.O.S.T. 之基本架構

環天M.O.S.T.（Moving Object Security & Tracking solution）是基於LoRa技術的Globalsat專有協議。它的基本架構如下為一個單通道閘道器對一個或是多個節點。

圖三 

二 選擇適合的M.O.S.T. 架構

M.O.S.T. 架構下提供非常多種選擇的通訊模式如下如點對點、輪詢、群組呼叫、群組輪詢呼叫、節點主動回報及節點突發狀態之觸發模式等等。此方案是使用其

點對點架構，其特點是點對點模式是處於正常模式。意謂此架構是基於及時反映下並不考慮進入休眠狀態，這一點也非常符合火警偵測的需求。關於其他的架構及使用情境日後會再以其他方案來介紹工作原理及說明如何設計。

圖四 

三 選擇閘道機及節點的工作模式

當我們要選擇系統是要工作於環天M.O.S.T.的哪一個架構時，我們必須如圖四中的Mode Setting 選擇閘道機及節點的工作模式M1 ~ M4如圖五。其工作模式如下:

1. Normal mode ~ UART、無線處於正常模式。
2. Wake-up mode ~ 在正常工作模式下增加Preamble 長度提供喚醒用。
3. Power-saving mode ~ UART已關閉、無線處於省電模式。可設定在省電模式下0.5到5秒喚醒時間檢查是否收到Preamble，然後打開UART和喚醒MCU接收數據恢復成Power-saving mode。
4. Setup mode ~ UART 進入設定模式供設定模組參數。

圖五 

四 閘道機及節點的工作模式 (M1~ M4) 硬體設定

該模組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。I/O部分有一個BZ Pin供MCU讀取模組工作狀態，而我們要設定工作模式部分是使用模組提供的P1 及P2來選擇是使用在圖五中的四種模式之一

 

圖六 

五 模組介紹及M.O.S.T. Link 模式選擇

本方案是使用的環天LM130H1模組頻段862-1020MHz，此模組專供使用於台灣、美國、日本等國家，下圖為實體相片及接腳尺寸圖。 

這個模組是可以選擇工作於LoRaWAN或是M.O.S.T. 通訊協議。其選擇模式分為硬體及軟體兩個方式如下

硬體設定


韌體設定

 

如何設定LM130H1參數進行開發 (模組)

步驟一: 先按下圖連結下載YAT終端機。

https://sourceforge.net/projects/y-a-terminal/

步驟二: 如何安裝 YAT 終端機。(影片演示)

步驟三: 開啟通訊埠並示範如何設定快捷鍵

步驟四:  LM130H1 MOST Link AT-Command 設定

 寫入設定參數後既可斷電後恢復正常工作模式。

 

如何使用Arduino及Atmega328開發說明

步驟一 (環境安裝):

1. 示範如何安裝 Arduino (影片演示)

步驟二 (軟體開發及上傳至MCU):

1. 按下面連接開啟程式、組譯及燒錄至IC (影片演示)

 

基本程式結構

圖片十

成果演示

圖片十一: 成果展現測試環境配置請

 

按下面影片參閱成果展現