基于Microchip Atmega328 MCU与Semtech SX1276之环天LM130模组架构下的 LoRaWAN土壤监测方案

市场优势一 (主要使用元件):

此方案的是使用台湾GPS大厂环天世通科技利用诠鼎所代理之SX1276 LoRa IC 所开发的LoRaWAN/Proprietary双模之UART模组LM110H。
其具有下列三大市场优势:

  1. 把SX1276 SPI界面之复杂控制流程简化成可以让微处理器以AT-Command模式来设定参数及收发资料。
  2. 将LoRaWAN通讯协议及控制流程简化成可以让微处理器以AT-Command模式来设定参数及收发资料。
  3. 单一模组具有LoRaWAN及 Proprietary 两种协定,可提供使用者能让在产品设计上可以切换于不同的网路架构。

上述之优势可以协助工程师减少在SX1276底层上的学习摸索,进而可以加快设计的时间。此等优点可以让工程师将SX1276当作一个MODEM来使用,减少在程式上的复杂度而把设计重心可以放在系统流程上。


市场优势二 (本方案所要解决之传输技术问题):

土壤湿度的应用大都使用在广大地域或是温室栽作的农作物栽植、公园绿化及家庭庭院之应用上。其主要是利用对环境之持续监测来获得有效之灌溉方式,最大的的利基是解决水资源上的浪费以及找出适当的时机来提供水分给植物。 
在此等应用之系统架构一般都是使用实体有线、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,如果我们要在此等警告系统中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

  1. 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。
  2. 干扰: 使用展频技术可提供高抗杂讯。
  3. 省电: 低至1uA之耗电可提供长时间不需更换电池使用。


市场优势三 (本方案所要解决之MCU控制技术问题):

对于需要负责整体设计但并不是专精于软体开发的工程师来说,软体部分会是一个门槛和负担。特别是不同的开发环境有着不同的设定和操作技巧,这些都需要在熟悉上花上许久的时间。再者就算是相同厂牌之不同微处理器MCU也有着不同的初始设定和流程控制,在学习上需要花上许多时间而提高了难度。所以本方案就是解决此等问题,使用越来越广泛把初始设定等简化而把重心放在流程控制上的Arduino系统及ATMEL Atmega328微处理器来做示范。Arduino 近年来已经由当初的教学用到现在各大厂如Intel, ST, TI (Energia).. 等等公司的支援,所以对于物联网之需要多样应用需求来说不外是一个快速开发及修改的工具。

   延伸阅读     基于使用环天LoRa专属通讯协议与使用Semtech SX1276之 LM130模块架构下之火焰警告方案

   延伸阅读     基于 Semtech SX1301之永洋科技IOG851 LoRa网关机之一氧化碳侦测方案


使用场景及工作描述用说明

本警告系统是为了可以解决在一个大范围长距离环境下之收集不同地点之土壤湿度资讯。其工作方式为利用两电极之间之阻抗经初步放大后取出与湿度等比之电压信号,再以微处理器转换电压成数值后再以LM-130 LoRaWAN模组发送至相对应之LoRaWAN闸道机后送至网路服务器。之后再送至不同的应用服务器如AWS、MQTT、Data Storage等等,此处我们使用MyDevices做示范。
本应用预设之使用场景如下:

  1. 农田稻作、果园等经济价值作物灌溉管理系统。
  2. 高尔夫球场或公园草皮等灌溉管理系统。
  3. 欧美型家庭之庭院花草灌溉管理系统。


环天LM-110H环境设定及操作使用说明

本方案所使用的环天LM-110H模组依频段不同有410-525MHz (Model: LM-210L)及862-1020MHz (Model: LM-110H)两个种类。此处因为设定使用于台湾、美国、日本等国家,所以选用LM-110HH。

下图为实体相片及接脚尺寸图。

 

该模组本身支援LoRaWAN及环天自有之MO.S.T.通讯协定。出厂预设为LoRaWAN,但可以使用AT Command方式切换到M.O.S.T.。LM-110H对外接脚除电源和天线外、具有一组可设定从1200/ 2400/ 4800/ 9600(Default)/ 19200/ 38400到57600bps速率的标准UART通讯埠。一BZ Pin提供MCU读取模组工作状态,另外如下图所示提供P1 及P2供使用者在MO.S.T架构下选择正常、唤醒、省电及设定四种使用模式。而在LoRaWAN模式则可以直接以终端机方式进入AT Command模式进行设定和控制。


如何安装及使用YAT终端机来控制LM110模组以进行开发LoRaWAN产品?

1. 按下面连结下载YAT终端机软体
https://sourceforge.net/projects/y-a-terminal/

2. 示范如何安装YAT终端机软体(油管视频,想看?你懂的)

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

3. 演示如何开启YAT终端机及设定快捷键(油管视频,想看?你懂的)

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

4. 按下面连线图连接USB to TART 及 LM110模组

 

如何使用Putty来与闸道机连线以及测试是否可以接收节点资料

1. 使用Window 搜寻来寻找Putty后启动



2. 启动Putty后使用SSH与闸道机Linux连线后设定网路服务器及网路连线 (油管视频,想看?你懂的)

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

3. 如何在Linux下测试闸道机可以接受到节点上传之资料 (油管视频,想看?你懂的)

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

4. 如果再Linux下面可以接收到资料,下一个我们就可以在网页上连线到LoRaServer网路服务器后,注册网关及节点以及如何接收资料 (油管视频,想看?你懂的)

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

 

如何使用Arduino及Atmega328来开发应用

1. 至下面官网下载档案后安装

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

2. 示范如何安装 Arduino IDE (油管视频,想看?你懂的)

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

3. 如何启动Arduino IDE以及编辑级组译程式,和上传至MCU (油管视频,想看?你懂的)

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

 

如何使用阻抗式土壤感测器来读取资料

土壤湿度Moisture Sensor传感器模组乃是利用两电极之阻抗来探测出土壤含水量。 其供作原理乃是使用LM393将两电极之阻抗转换成比例之电压信号,当土壤干燥时LM393类比输出电压之数值将减小;反之将增大。 另外运算放大器也提供一个可用可变电阻来设定要控制之触发临界值,当湿度低于设定值时DO输出高电平,如高于设定值时DO输出低电平来提供触发控制。

基本程式结构

 

成果演示


www.youtube.com/embed/_XvdijoYv7E (油管视频,想看? 你懂的)

场景应用图

sceneryUrl

产品实体图

imgUrl

展示版照片

frontUrl

方案方块图

funcUrl

核心技术优势

LoRa收发器 : 使用协力厂商所制造之LM110模组,使用其高抗杂讯及高灵敏度特性来拓展两通讯端。其通讯方式为使用UART的界面来达成透传目的。

方案规格

~~~ LoRa ~~~  芯片组 ~ SEMTECH LoRa SX1276系列  频率 ~ 862-1020MHz(型号:LM-230H)  传输功率 ~ 100mW(MAX。)  传输媒体 ~ UART  UART波特率 ~ 1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600bps  电流消费 ~ 接收:13 mA(典型值),发射:120 mA(典型值),睡眠:2.2uA(典型值)  传输距离 ~ 1KM〜10KM(0.81Kbps)  接收灵敏度 ~ -132dBm@0.81Kbps  工作温度 ~ -40°C~85°C  尺寸 ~ 尺寸25毫米x 18毫米x T2.6毫米 ~~~ 蓝芽 ~~~  基于CSR BC417143 芯片组  蓝牙 Class 2  电路板天线  尺寸:26.7 x 13 x 2毫米  工业温度范围为-40℃至+ 85℃  工作频率:2.4 GHz ISM频段  调制方式:GFSK(高斯频移键控)  Acuity: - 0.1 DBM或更低BER,0.1%  传输速率:异步:6 KBPS  安全功能:身份验证和加密

技术文档

类型标题档案
软件Command file
软件Specification
软件BOM
软件Layout
软件Schematics