基于使用环天LoRa专属通讯协议与使用Semtech SX1276之 LM130模组架构下之火焰警告方案

市场优势

解决问题一 (如何快速布建LoRa之专属通讯协议网路):

许多工程师知道LoRa调变技术可以提供长距离的通讯能力,但是在进入到要使用哪一种通讯协议的架构却碰到问题。 因为LoRa通讯技术为开放式的架构,可以按照不同的使用情境来规画从小至一对一的双向通讯到大到国家级整个网路通讯协议架构。大的架构我们可以使用LoRaWAN协会所制定的协议,只要产品通过验证就可以加入网路如GSM系统一般。但是如果我们的使用情境如家庭或是农场等小规模并且是封闭的应用,那样就会有需要架设一个可以支援到几千个节点的LoRaWAN基地台来支援可能不到数十个应用节点的成本效益考量。细节请参考下面所整理的成本分析。

如上图来看,在小型化或封闭系统来看LoRa专属架构是比较符合成本效益的。但是如何来规划一个网路架构及通讯协议对工程师来说会是一个卡关的难点,因为如何规划不同的通讯模式如即时、唤醒、休眠..等需求。再则需要验证整个系统是否能持续稳定的工作也是需要耗费时间及人力的。所以我们提出这个使用方案环天专属通讯架构 M.O.S.T. Link就是来帮忙开发人员能快速的上手把重心放在应用上,加快产品上市的先机。

解决问题二 (如何使用模组简化设计及加快开发):

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Semtech SX1276 所开发的UART模组LM130H1,其市场优势是把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。此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。在则使工程师可以将SX1276当作一个MODEM来使用,此点也可以让工程师简化程式上的复杂度。

解决问题三 (使用LoRa改善传输技术改善通讯能力):

对于大楼建筑、工厂或是农场以至于如欧美之家庭之安全需求是一大需求,对于此类安防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. 感扰: 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。

   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

使用场景及特色说明

本方案是为了解决在一个只需要数十个节点规模或是封闭系统应用场景下之火警侦测系统,其特点是使用单通道之网关。这个架构下可以大大节省整个成本,大致上设定的使用场景如下:

  1. 家庭、宿舍、大楼之火警监测。
  2. 农场,农舍,畜牧等堆放易燃物品处火警监控。
  3. 工厂及仓储系统之火警监控。
  4. 森林火警监控

 

工作原理描述说明

在此方案中,我们使用基于红外线感应的的火焰传感器。其基本架构为使用YG1006传感器,该传感器是一种高速且高灵敏度的NPN硅光电晶体管。它可以检测波长范围从700nm至1000nm的红外光,检测角度约为60°。火焰传感器感测到事件后再经电路中的LM393运算放大器将信号放大整形后提供足以供微处理器判读的等比电压,其灵敏度可以通过改变板载电位器来调节。微处理器每隔一预设时间读取传感器之数值,当期数值大过于预设值或是比值超过平均背景值时开始以指令经UART传送至LM130H1模组后经空气传送至闸道机。

如何使用环天M.O.S.T进行开发设计说明

一 解析M.O.S.T. 之基本架构

环天M.O.S.T.(Moving Object Security & Tracking solution)是基于LoRa技术的Globalsat专有协议。它的基本架构如下为一个单通道闸道器对一个或是多个节点。

图三 

二 选择适合的M.O.S.T. 架构

M.O.S.T. 架构下提供非常多种选择的通讯模式如下如点对点、轮询、群组呼叫、群组轮询呼叫、节点主动回报及节点突发状态之触发模式等等。此方案是使用其

点对点架构,其特点是点对点模式是处于正常模式。意谓此架构是基于及时反映下并不考虑进入休眠状态,这一点也非常符合火警侦测的需求。关于其他的架构及使用情境日后会再以其他方案来介绍工作原理及说明如何设计。

图四 

三 选择闸道机及节点的工作模式

当我们要选择系统是要工作于环天M.O.S.T.的哪一个架构时,我们必须如图四中的Mode Setting 选择闸道机及节点的工作模式M1 ~ M4如图五。其工作模式如下:

  1. Normal mode ~ UART、无线处于正常模式。
  2. Wake-up mode ~ 在正常工作模式下增加Preamble 长度提供唤醒用。
  3. Power-saving mode ~ UART已关闭、无线处于省电模式。可设定在省电模式下0.5到5秒唤醒时间检查是否收到Preamble,然后打开UART和唤醒MCU接收数据恢复成Power-saving mode。
  4. Setup mode ~ UART 进入设定模式供设定模组参数。


图五 

四 闸道机及节点的工作模式 (M1~ M4) 硬体设定

该模组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。I/O部分有一个BZ Pin供MCU读取模组工作状态,而我们要设定工作模式部分是使用模组提供的P1 及P2来选择是使用在图五中的四种模式之一

 

图六 

五 模组介绍及M.O.S.T. Link 模式选择

本方案是使用的环天LM130H1模组频段862-1020MHz,此模组专供使用于台湾、美国、日本等国家,下图为实体相片及接脚尺寸图。 

这个模组是可以选择工作于LoRaWAN或是M.O.S.T. 通讯协议。其选择模式分为硬体及软体两个方式如下

硬体设定


韧体设定

 

如何设定LM130H1参数进行开发 (模组)

步骤一: 先按下图连结下载YAT终端机。

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

步骤二: 如何安装 YAT 终端机。(影片演示) (油管视频,想看?你懂的)

//www.youtube.com/embed/piJb3b9A5go

步骤三: 开启通讯埠并示范如何设定快捷键 (油管视频,想看?你懂的)

//www.youtube.com/embed/3miACDeOC3Y

步骤四:  LM130H1 MOST Link AT-Command 设定 (油管视频,想看?你懂的)
//www.youtube.com/embed/BFXrq8SfJa0

 写入设定参数后既可断电后恢复正常工作模式。

 

如何使用ArduinoAtmega328开发说明

步骤一 (环境安装):

  1. 示范如何安装 Arduino (影片演示) (油管视频,想看?你懂的)

//www.youtube.com/embed/piJb3b9A5go

步骤二 (软体开发及上传至MCU):

  1. 按下面连接开启程式、组译及烧录至IC (影片演示) (油管视频,想看?你懂的)

//www.youtube.com/embed/cVoo5gB_jks

 

基本程式结构


图片十

成果演示


图片十一: 成果展现测试环境配置请

 

按下面影片参阅成果展现(油管视频,想看?你懂的)

//www.youtube.com/embed/_oUhMvRzm-4

 

场景应用图

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产品实体图

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