基於Semtech LR1110 開發之LoRaEdge 定位追蹤器方案

方案應用場景描述

本方案主要是介紹如何在Semtech 最新推出的LoRa Edge架構下設計開發一追蹤器，主要的目的是在協助現有使用傳統GPS追蹤器的使用者有著新一代更省電及更安全的選擇。本方案的場景使設定在一不需要更換電池的但需要長時間使用的追蹤器比如資產管理、人員追蹤等。

方案優勢

一. 超低功耗，簡化設計
LoRa Edge平台提供了一種低能耗的地理定位解決方案，該解決方案支持資產管理應用程序，例如資產定位，資產回收，資產可追溯性，庫存管理和資產損失預防。

二. 使用LoRa改善傳輸技術改善通訊能力

追蹤器應用大規模的使用在如人員或是資產管理，事務聯網中的一大應用，對於此類應用一班都是使用GSM、4G、FSK、Wifi或是衛星通訊來做為通訊方式。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，如果我們要在此等應用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. 抗干擾: 使用展頻技術可提雜訊抗干擾能力。
3. 省電: 低至0.1uA之耗電可提供長時間不需更換電池使用。

方案特色說明

本方案向對有興趣探索LoRa Edge™ 追蹤器的開發​​人員和產品經理展示如何使用 LR1110 來開發一個具有LoRaWAN功能的LoRa Edge GNSS/Wifi 追蹤器，並示範如何將使用LR1110開發的追蹤器註冊登錄到LoRa Geolocation Cloud系統。

工作原理描述說明

本方案的結構是使用Semtech 新一代的全方位 LoRa 晶片LR1110來做核心，另外使用STM32單晶片來作程序控制。在此架構中所使用的LoRa Edge 是一個為了提供超低功耗的平台，其使用Semtech整合了遠程 LoRa® 收發器、多星座GNSS掃描及無源的 Wi-Fi AP MAC 地址掃描來提供一可供室內及室外的雙模資產定位管理應用。而LR1110 解決方案是創新的將位置定位運算轉移到Semtech的 LoRa Cloud™ 地理定位功能服務器，通過在基於雲的求解器中確定資產位置來顯著降低功耗。

 

LR1110 硬體開發介紹

一. 硬體介紹

• LR1110 (LoRa Basics Modem-E) ~ 一款Semtech超低功耗晶片，內含LoRa收發器、GNSS衛星掃描和無源 Wi-Fi AP MAC地址掃描，專注於資產管理應用。
• STM32WB55XX ~ 一個專用的Arm® Cortex®-M0多協議無線和超低功耗設備嵌入晶片，符合藍牙®低功耗SIG規範0 和 IEEE 802.15.4-2011。

二. MCU與LoRa Basics Modem-E之間的控制信號

• 1個SPI介面從MCU連接到LR1110 (LoRa Basics Modem-E接口
• LoRa Basics Modem-E 輸出的SPI、復位、事件及忙碌線
• 1個從MCU連接到加速度計傳感器的I2C接口
• GPIO用於連接霍爾效應傳感器和用戶控制按鈕
• SPDT 控制線
  • 兩條從MCU作為用於控制GNSS、Wi-Fi 和BLE天線的選擇
  • 一條來自 LoRa Basics Modem-E用於LoRa RX/TX 路徑的選擇

 三. 電氣特性

• 最大電氣特性

 

• 於3V時的基本功耗

 四. PCB板製作及SMT打件

該參考設計提供完整之Schematic、Layout、Gerber、SMT Component pick up、Drill及PCB Layer建議如下，故您可以直接拿gerber去送洗製作電路板並且打零上件。或是參考及修改設計

LR1110 軟體開發環境介紹

一. LoRa Edge 韌體燒錄

• 首先您需要準備Semtech 開發工具LR1110DVK1TCKS，您可與我們聯絡或在網路上購買

1. https://www.digikey.com/en/products/detail/semtech-corporation/LR1110DVK1TCKS/12509678
2. https://www.digikey.com/en/products/detail/semtech-corporation/LR1110DVK1TCKS/12509678

• 將其組裝如下

• 至下面連結下載更新碼

https://github.com/Lora-net/lr1110_updater_tool/wiki

          

• 使用滑鼠將下載的程式碼拖曳至STM開發板位置

• 如開發板上之LED閃爍的話代表正在燒錄進去，等完畢後LCD面板會顯示完成

 

二. 安裝LoRa Basics Modem-E 展示控制程式至開發板

• 至下面連結下載更新程式

https://github.com/Lora-net/lr1110_evk_demo_app/wiki/Software-packages

• 如上一步驟使用滑鼠將下載的程式碼拖曳至STM開發板位置
• 如開發板上之LED閃爍的話代表正在燒錄進去，等完畢後LCD面板會顯示完成

 

三. STM32 Tracker 開發環境 

• 至Github lora_edge_tracker_ref_design/smtc_tracker_app/MDK-ARM/

   下載Keil專案lr1110_modem_tracker_sdk.uvprojx

• 至下列網址下載並安裝arm-none-eabi-gcc

https://developer.arm.com/tools-and-software/open-source-software/developer-tools/gnu-toolchain/gnu-rm/downloads

• 載入uvprojx 並用指令 make -j
• 您可以在gcc/build 下看到bin 已經建立
• 將bin檔燒錄至MCU

四. STM32WB BLE 韌體安裝

• 因安裝BLE是位於STM32WBxx，為把重點放至LoRa Edge上故請參考上傳的操作說明並請自行參照安裝

 

如何將追蹤器登錄到Semtech LoRa Cloud
一. 註冊Semtech LoRa Cloud 帳戶

二. 於Semtech LoRa Cloud 註冊Application Owner

三. 於Semtech 開發工具上讀取 Chip EUI 及 Password


四. 於Semtech LoRa Cloud 註冊 Device Join

如何將追蹤器登錄到Semtech Network Server

一. 建立Device Profile

二. 建立Application


三. 在Application 下註冊Device

 

 

 

 

如何將Semtech Network Server 結合到 LoRa Cloud

一.  先確認Gateway 是否與Semtech Network Server取得聯繫

二.  在Application下選擇Integration

三.  設定Semtech Network Server 與 LoRa Cloud 的連結

功能測試及成果展示

一. 測試架構 ~ 此處我們是用Semtech的網路伺服器來負責網關與節點的溝通，再使用Semtech Geolocation cloud 來計算出位置後將其位置使用ThingsBoard應用伺服器來展現出位置。此展示可以展現出追蹤器之定位功能及整個網路的通訊之間的是否成功。


二. 成果展示 ~ 由下圖可以看到當追蹤器開始工作後將資料送至Semtech的網路伺服器，並在ThingsBoard上顯示即時座標及歷史定位紀錄，固可證明追蹤器確實掃描到GNSS及Wifi資料並經閘道器至位置伺服器上解出座標後送至應用伺服器展現出座標。


三. 後續應用 ~使用者可以於Network Server 內建之整合應用如下或是API將獲得的座標資訊另行開發應用