2017年10月16日 星期一

長距離低功耗無線通訊技術 LoRa

前陣子有網友詢問 LoRa 問題, 好像曾在哪裡看到此 RF 技術的介紹, 當時並沒有放在心上. 最近因為這個機緣, 連帶讓我想起之前買過的 nRF24L01 模組, 過去一周在採購的 LoRa 模組尚未收到之前, 我就先把玩了 nRF24L01 一番, 發現它雖然價格便宜 (一片約 30 元), 但是可能因為走較高的 2.4GHz 頻段以及使用 PCB 天線之關係, 傳輸距離太短, 僅 100 公尺不到, 而且無法穿越牆壁, 實用範圍屬於近距離通訊而已.

但 LoRa 技術就不同了, 由於先進的技術突破, 加上走 Sub-GHz 頻段, 因此傳輸距離與穿牆性能據說都令人刮目相看, 空曠地方可達 2km~5km, 在建築物內可穿透 7 層牆壁. 因此在測完 nRF24L01 後, 我想研究 LoRa, 實際測試看看是否真的那麼厲害.

目前市面上的 LoRa 模組主要是使用 SX1276 與 SX1278 這兩種晶片, 兩者性能與功能相同, 差別只是頻段不同而已. SX1276 頻段是 868MHz 與 915MHz, 主要用在歐洲與北美地區; 而 SX1278 頻段為 433MHz 與 470MHz, 主要用在中國, 東南亞, 南美洲, 以及東歐等地區, 參考 :

SX1276 与SX1278扩频芯片的区别

在露天拍賣上販售的大都是 SX1278 的模組. 我買的是這款 433MHz 的 (附彈簧天線) :

[史塔克實驗室][Arduino/RPi]每個180元2個一組販售SX1278 Lora module 模組433MHz $180

賣家有提供 Arduino 範例程式, 可在 dropbox 下載 :

https://www.dropbox.com/sh/beaswh5a3h69ho6/AABNL6J0KtAe9x_hfsz1P8SAa?dl=0

事實上這在 Aliexpress 上含運才賣 US$3.72 元而已, 折合台幣 111 元 :

433Mhz Lora SX1278 Long Range RF Wireless Module SPI Build-in Temperature Sensor For Arduino DRF1278F $3.72

注意, 這種裸片的模組大都沒有附底板或轉接板 (甚至沒有附彈簧天線), 而且其接腳間距為 2 mm, 因此必須找 2 mm 的排母來焊接, 例如 :

2.0MM 單排座1*40 單排母座 排針座(10只一拍) [1-89085] $70

我覺得最好是使用 2.0mm 的排母, 因為 2.0 mm 間距的排針較細, 一般杜邦線母接頭插上去根本就鬆垮垮的無法固定; 而 2.0 mm 排母的洞卻剛剛好可以讓一般杜邦線公插頭插進去沒問題.

如果要買有底板或轉接板, 可以焊接 2.54 mm 針腳的模組, 可以考慮下面這款 :

【傑森創工】SX1278 帶底板 LORA 模組 安信可 RA-02 Arduino $250

這塊使用的是安信可 (AI Thinker) 的 RA-02 SX1278 模組, 採用 IPEX 天線座而非短的彈簧天線, 而且有鐵殼包覆不會有電磁干擾問題 (FC/EC 相容認證). 其實這塊在 Aliexpress 一對含運才賣 US$13.5, 折合台幣 405 元, 平均一片才 203 元 :

Elecrow 2pcs/lot SX1278 LoRa Module 433M 10KM Ra-02 Ai-Thinker Wireless Spread Spectrum Transmission Socket for Smart Home DIY US$13.5

也有採用 nRF24L01 接腳配置 (8 Pins) 的模組, 一對含運 US$13.51, 折合台幣 405 元, 平均一片也是 203 元左右, 這款好處是免焊, 而且採用 IPEX 天線 :

2pcs/lot Newest SX1278 LoRa Module 433M 10KM Ra-02 Ai-Thinker Wireless Module Spread Spectrum Transmission Electronic Diy Kit  US$13.51

採用彈簧天線的是這款 :

Elecrow 2pcs/lot LoRa Module SX1278 Ai-Thinker 433M Wireless Spread Spectrum Transmission Ra-01 DIY Kit for Smart Meter Reading  US$13.59

如果買不含底板且搭配彈簧天線的 RA-01 模組的話更便宜, 一對 US$8.88, 折合台幣 266 元, 平均一片 133 元 :

2PCS Ra-01 SX1278 LoRa Spread Spectrum Wireless Module 433MHz Wireless Serial Port UART Interface Ra01 US$8.41+0.47=US$8.88

安信可的 Ra-02 模組通常都不附 IPEX 天線, 如果要買 IPEX 天線可參考 :

433m內置彈簧天線 433mhz模塊天線 433數傳天線 ipex介面 1.13線 $40
868MHZ/900MHz/915MHz/920MHz內置彈簧天線 無線數傳天線 高增益IPEX天線 $70
黑色868MHZ/900MHz/915MHz/920MHz/925MHz天線,SMA內針介面 $90

以上是關於模組採購的調查, 接下來整理一下 LoRa 技術的相關資訊.

LoRa 為 Low power long Range  (低功耗長距離) 的縮寫, 它是一種低功耗無線廣域網路 (LPWAN, Low Power Wide Area Network) 通訊技術, 最早源自法國長距離無線傳輸技術 IP 公司 Cycleo, 它在 2009 年提出了創新的低功耗長距離技術 LoRa, 於 2012 年被美國 Semtech 公司以 500 萬美元併購, 參考 :

Cycleo unveils its first innovative semiconductor IP bringing unprecedented range to wireless data transmission
Semtech Acquires Wireless Long Range IP Provider Cycleo

美商 Semtech (先科) 1960 年創立於美國加州, 是一家類比與混和信號 IC 供應商, 1967 年公開上市, 目前於 NASDAQ 掛牌 (SMTC), 市值約 25 億美元. 主力產品為電源管理晶片, 數位感測與高階通訊射頻 IC 等, 參見 :

https://en.wikipedia.org/wiki/Semtech
http://www.semtech.com/wireless-rf/internet-of-things/

Semtech 併購 Cycleo 後大力推廣 LoRa 技術, 結合全世界電信商, 設備商, 晶片商等組成非營利的 LoRa 聯盟, 目前會員數已超過 500 個, 包括 52 個電信運營商, 範圍橫跨全球 100 餘國, 超過 350 個城市正在測試與佈建 LoRaWan 網路, 近日 ( 2017-10-17 ~ 2017-10-25) 將於中國蘇州舉辦第九屆全球會員大會, 參考 :

https://www.lora-alliance.org
http://whatis.techtarget.com/definition/LoRa-Alliance

關於 LoRa 技術的特性摘要如下 :
  1. 採用線性 Chirp 展頻調變技術 (CSS, Chirp Spread Spectrum), 具低功耗, 長距離, 低成本, 可擴充, 與抗干擾等特性, 可使用電池長時間運作, 範圍可達數公里.  LoRa 省電的原因主要來自非同步通訊與自適應之傳輸速率功能. LoRa 節點的接收電流僅 10mA, 休眠電流 200nA, 因此 LoRa 技術的電池壽命高達 3~10 年.
  2. LoRaWAN 網路使用非同步方式通訊, 其媒介存取協定 (Media Access Protocol) 採用 ALOHA 法, 節點會依需要進入或長或短的休眠狀態, 從而降低了功率消耗; 而現行手機屬於同步通訊, 每 1.5 秒需與基地台同步一次, 功耗較大. 
  3. 在 LoRAWAN 中, 節點並不與特定閘道器 (Gateway) 相關聯, 而是與多個閘道器關聯, 所傳送之資料將被多個閘道器接收. 此外, LoRaWAN 閘道器具有容量高與可擴充特性, 可從大量節點接收數據, 這是其他 LPWAN 所欠缺的優點. 
  4. LoRa 具有網路與應用雙層安全防護, 網路節點不能檢視應用層數據, 並使用 AES 對傳輸之數據進行加密. 
LoRa 模組實測參考 :

Long Range Wireless Data Communicatoin using LoRa (Up to 10km Line of Sight)




參考 :

LoRa:長距離低功耗物聯網傳輸技術
LPWAN-大家天天熱聊的LORA技術到底是什麼?
智能家居無線技術解決方案:LoRa超遠距離無線通信
LPWAN:科技改變生活,淺談LoRa與物聯網技術
物聯網時代來臨,IBM 推 LoRa 技術讓機器也有自己的網路
新一代無線傳輸技術-LoRa
長距離無線通訊
5分鐘搞清楚LoRa技術是什麼
細說LoRa(一)——LoRa、LoRaWAN、LoRa聯盟的由來及簡介
NB-IoT與LoRa的巔峰對決不是你想的那樣
想快速全面了解LoRa?看這篇就夠了!
由台北 IoT 平台聊 LoRA & LPWAN (1) - LoRA & LoRaWAN
低功耗廣域網(LPWAN)- LoRa連接
主流的LPWAN技術,無非就這幾種!
從技術到應用對比LoRa、NB-IoT,企業如何正確打開物聯網大門?
NB-IoT究竟是什麼?終於有人講透了

2018-06-04 :

今天在秋葉原的 LoRa 模組看到 LoRa 的通訊模式說明, 值得參考 :

LORA模組 ATK-LORA-01無線串口模組 SX1278 433M 20db TTL串口

10 則留言 :

訂時通 提到...

距離呢? 有測試嗎? 謝謝。

Tony Huang 提到...

用彈簧天線實測空曠距離其實只有 200 公尺左右, 只比 nRF24L01 遠兩倍左右, 但樓層穿透力卻可達兩層樓, 而 nRF24L01 只要轉個牆角就不行了.

訂時通 提到...

謝謝回覆~ 原來真的是這樣。。。 我以為只有我撞牆。 我也是怎麼測都250m以內(市區) 。 不過我還沒放棄還在試其他來源的模組,希望可以看到市區有比較突破的距離。

Tony Huang 提到...

可以試試 IPEX 天線看看.

訂時通 提到...

謝謝建議~ 哈,市面能看到的模組,幾乎都試過囉,ipex天線也有的喔,差不多結果,短距離內很OK的,甚至放頂樓坐電梯下樓,連電梯內都OK的,但是也就距離250m無法突破的(市區、大樓)。目前都只測100mW的。
現在等一組 intoRobot的,最後希望。。。

Tony Huang 提到...

原來 IPEX 也是如此, 我還抱著意思希望說買一個 IPEX 試試看哩! 不知道跟模組設計有無關聯? 我想買另一個廠家的來試試. 奇怪, 為何每家規格說明都號稱空曠處可達 1KM 以上, 實測卻嚴重打折?

訂時通 提到...

空曠區可以的,發射跟接收間無遮蔽的話。
我是想要在市區有長距離,測不出來,被遮蔽就GG了,都是200左右。。。那真的要建置系統,成本就跟想像的差太多了。。。要知道現在lora是沒有帶 mcu的,自己一片就要100多了,距離不夠長、穿透繞射不行的話,就不太能玩了,且最近聽到大陸NB-iot要圍剿lora的新聞了@@ 聽說頻道要被管制了。。。

匿名 提到...

初學者,不好意一問一下 一些基本問題
SX1278 Lora module

我 查一下 有 DIO0 DIO1 SPI ....

那我怎麼 去知道 接 DIO0 DIO1 .... 或是SPI

還是有二個模式可以接

盧佳宏 提到...

老師你好

我想請問LoRa他也是跟WiFi模組一樣是用AT指令嗎?

Tony Huang 提到...

買 LoRa UART 模組就可以用 AT 指令喔, 參考 :
https://lora.sktiot.com/api/common/file/download?fileId=00EG415NWIIV1C24086C