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RAK LoRa系列導覽及Gateway串接實作

作者:柯大

RAK Wireless 近期密集推出了一系列的LoRa相關模組及開發板,並推出內建SX1301 晶片的RAK831 LoRaWAN Gateway集成開發板,可搭配Raspberry Pi安裝開源LoRaWAN Packet forward軟體,建置一個8通道的標準LoRaWAN閘道器。

此外,也推出了結合BLE與LoRa的RAK813模組及開發板,使開發商可利用雙低功耗的晶片開發更方便的物聯網裝置。特別值得一提的是所推出的LoRa智慧按鈕,具有4組按鈕,突破大多數廠家所推出的單鍵按鈕的LPWAN裝置,4組按鈕可結合更多應用,創造更多的創意商品。

RAK LoRa Node 四種模組:

  1. RAK811:採用SemTech SX1276 LoRa晶片,支援868MHz/915MHz
  2. RAK811-N:採用SemTech SX1276 LoRa晶片,支援868MHz/915MHz
  3. RAK812:採用SemTech SX1278 LoRa晶片,支援433MHz/470MHz
  4. RAK813:BLE 5.0(nRF52832)+ LoRa(SX127x),支援433MHz/470MHz、863MHz或915MHz

以下將會一一介紹四種LoRa Node 模組均同時支援P2P自建LoRa網及LoRaWAN協議LoRa網。

RAK813 BLE+LoRa藍牙5.0 LoRaB模組nRF52832和SX127x點對點通信

RAK813 模組是一個結合了 BLE(Bluetooth Low Energy) 和 LoRa 的中繼節點模組,提供遠距離無線通信能力。支援多種數位介面,如 :GPIO,UART,I2C,SPI 等,感測器也可以通過這些數位介面直接連接到 RAK813模組; 同時支援多種協定,包括最新的 BLE 和 LoRaWAN。

RAK 813模組內部晶片結構(圖片來源:RAK官網)

RAK 813應用架構圖(圖片來源:RAK官網)

RAKL 811 811-N,812 模組比較表(圖片來源:RAK官網)

RAKL 811 811-N,812 模組外觀(圖片來源:RAK官網)

接腳編號(圖片來源:RAK官網)

RAK LoRa開發板

  1. Wisnode-LoRa: 採用RAK811LoRa模組
  2. Wisnode-LoRa-LF:採用RAK812LoRa模組
  3. Wisnode-LoRaB: 採用RAK813LoRa模組

以上三種開發板硬體接腳相容Arduion Shield ,可直接插入Arduino 相容的所有MCU 開發板,如Arduino 系列:Arduino UNO R3、Aduino Leonado、Aduino Mega2560及MediaTeK LinkIt ONE、RealTek Ameba 8195AM等開發板,可直接透過UART介面以AT Command 方式控制LoRa 開發板。

Wisnode-LoRa開發板外觀(圖片來源:RAK官網)

Wisnode-LoRa-LF開發板外觀(圖片來源:RAK官網)

WisLoRaB RAK813開發板 LoRaB模組功耗測試 BLE+LoRa藍牙5.0

WisLoRaB為RAK813 LoRaB模組的開發測試板,快速上手測試模組功耗及性能。RAK813模組結合了BLE5.0及LoRa SX127X模組,可提供低功耗BLE設備及遠距離通訊能力,並可透過LoRa發送資料至遠端LoRa節點或Gateway。

Wisnode-LoRaB開發板外觀(圖片來源:RAK官網)

Wisnode-LoRaB開發板接腳功能圖(圖片來源:RAK官網)

RAK LoRa感測器組合開發板

RAK811/811-N Breakout Board:採用RAK811LoRa模組;LoRa Tracker:RAK811 + GPS + MEMS 加速度感測器。以上二種開發板提供標準UART介面以AT Command 方式控制LoRa 開發板。

RAK811/811-N Breakout Board 是一款小巧的LoRa開源開發板,適用與RAK811和811-N LoRa模組,提供單獨UART連接腳,沒有WisNode Node多的接腳,但是小巧,方便實惠,3.3V供電,SMA+IPEX 安裝,可以搭配各種物聯網開發板使用。

RAK811/811-N Breakout Board外觀圖(圖片來源:RAK官網)

LoRa Tracker無線遠端RAK811 LoRa定位追蹤加速度感測器GPS模組

LoRa Tracker 做為一種無線遠端定位解決方案,基於 RAK811 + GPS + MEMS 加速度感測器,使用Latest LoRaWAN1.0.2協定,同時支援LoRaWAN工作模式,讓使用者方便地連結到LoRaWAN網路,可連接到myDevices的Cayenne平臺即時追蹤定位。

RAK LoRa Tracker 外觀圖(圖片來源:RAK官網)

RAK LoRa Traker 架構圖(圖片來源:RAK官網)

RAK LoRa Tracker GPS及LoRa天線連接方式圖(圖片來源:RAK官網)

LoRa智慧按鈕

採用RAK811-N模組LoRaWAN協定支援AS923帶電池4自定按鍵,基於LoRaWAN 1.0.2協定的遠端無線觸發器按鈕硬體,支援4個按鍵自訂功能和LoRaWAN工作模式,方便連接到LoRaWAN網路,支援流行的區域頻段AS923、AU915、EU868等。靈活的參數設置,可以對接MyDevices平臺獲取圖形介面,支援使用Node-RED開發,並利用手機查看設備狀態,應用在各種智慧燈光控制、家庭劇院控制等智慧家居及無線遙控觸發控制。

LoRa智慧按鈕支援通信的頻段(圖片來源:RAK官網)

LoRa智慧按鈕系統架構圖

LoRa智慧按鈕規格

RAK 831 LoRa 多通道網路閘道模板

RAK831 LoRa/LoRaWAN閘道模組SX1301擴頻遠距離通信抗干擾多頻段、多通道高性能發射器/接收器模組,集成到閘道中作為該閘道的完整射頻前端,實現在LoRa閘道和大量的LoRa終端節點之間距離廣泛的通信。

半雙工的LoRa/LoRaWAN 閘道模組,採用Semtech 1301晶片, 8個上行,1個下行,發射功率20dbm,接受靈敏度最低-138dBm,空曠地域達15KM。採用SPI介面,可與Raspberry Pi 3 連接成一個LoRaWAN 8通道的LoRa Gateway。

RAK831 SPI介面LoRa Gatewaya外觀圖(圖片來源:RAK官網)

各接腳介面(圖片來源:RAK官網)

RAK831 LoRa Gateway 與Raspberry Pi 3建置LoRaWAN 閘道器及與TTN LoRa Network Server 註冊及安裝方式 ,請參考筆者上一篇文章介紹:【Tutorial】建立自己的LoRa網路 – RAK811及RAK831實作評測

實作示範測試

本次將實作示範測試以RAK WisNode-Lora EVB 開發板連接的LoRaWAN Gateway是Kiwitech奇邑科技 (原名泰發科技,2017年正式更名為奇邑科技)開發的LoRa Gateway TLG2901,TLG2901是一個針對長距離傳輸的高容量的閘道器 (Gateway),採用Semtech SX1301晶片,支援915 MHz LoRaWAN (902MHz-928MHz),8通道,並提供M2M protocol MQTT協定。

Kiwitech TLG2901 LoRa Gateway外觀(圖片來源:Kiwitech官網)

Wisnode-LoRa開發板外觀(圖片來源:RAK官網)

Wisnode-LoRa開發板採用RAK811 LoRa模組,並硬體設計成相容Arduino Shield ,可直接插入Arduino 相容的所有MCU 開發板,可支援以P2P方式自建LoRa網或標準LoRaWAN協議建立LoRa網路,LoRaWAN頻段:868/915MHz(LoRa點對點通信頻段為:868-1020MHz),可自由設定不同國家公有LoRaWAN協議AS923、AU915、EU868、KR920、US915頻段。

本次實作測試連接LoRaWAN Gateway 為915MHz 頻段,因此模組需更新為支援915MHz頻段之靱體,請自行至下載連接點:下載最新版RAK811_V2022_US915.bini或 RAK811_V2022_AU915.bin靱體更新。更新方式,請參考上一篇文章:【Tutorial】建立自己的LoRa網路 — RAK811及RAK831實作評測 

實際操作

連線前我們須先連接至Gateway取得Gateway 相關設定值

1.以瀏覽器連接Gateway IP 簽入後台管理介面:

2.從 Gateway後台設定取得Gateway 8個Channel setup 的頻段:

Channel 0 922000000 Hz
Channel 1 922200000 Hz
Channel 2 922400000 Hz
Channel 3 922600000 Hz
Channel 4 922800000 Hz
Channel 5 923000000 Hz
Channel 6 923200000 Hz
Channel 7 923400000 Hz

3.從 Gateway後台設定取得Gateway MQTT 傳送的Username、Password及MQTT Publish Topic、Subscribe Topic:

4.利用MQTTBox Client 軟體設定Gateway MQTT Broker Server,並設定MQTT Publish Topic、Subscribe Topic 接收Gateway 封包測試:

5. 開啟Serial Port Test 程式連接開發板進行測試,選擇正確連接埠,傳輸設定參數115200,8,N,1,鍵入at+version 及at+mode 測試。


6.配合Gateway8 Channel頻段設定Wisnode-LoRa RAK811 Node端頻段及參數設定

(1)以at+get_config=ch_list  查看目前channel設定的值

(2)以at+set_config=ch_list:0,…指令設定各通道開啟及頻段

at+set_config=ch_list:0,on,922000000,0,3

at+set_config=ch_list:1,on,922200000,0,3

at+set_config=ch_list:2,on,922400000,0,3

at+set_config=ch_list:3,on,922600000,0,3

at+set_config=ch_list:4,on,922800000,0,3

at+set_config=ch_list:5,on,923000000,0,3

at+set_config=ch_list:6,on,923200000,0,3

at+set_config=ch_list:7,on,923400000,0,3

※如果您安裝的靱體頻段是US915、AU915,可支援72組channel跳頻,而我們測試的Gateway只有個channel ,因此須將channle 8 – channel71設為off

at+set_config=ch_list:8,off

……

at+set_config=ch_list:71,off

※如果您安裝的靱體頻段是AS923,可支援16組channel跳頻,而我們測試的Gateway只有個channel ,因此須將channle 8 – channel71設為off

at+set_config=ch_list:8,off

……

at+set_config=ch_list:15,off

(3)利用 at+get_config=ch_list 指令查看設定結果:

(4)利用 下列指令設定dev_addr、nwks_key、apps_key,並以ABP方式加入LoRaWAN:

at+set_config=dev_addr:26011C62&nwks_key:261D9CCE723824D9CA1751207187C211&apps_key:835384EB70799CBA00CA159E214B21D5

at+join=abp

(5)利用 at+abp_info 指令查看設定結果:

at+abp_info

回應:OK0,26011c62,261d9cce723824d9ca1751207187c211,835384eb70799cba00ca159e214b21d5 (R80)

(6)利用 at+send 傳送測試資料封包:

at+send=1,2,11223344556677889900FF

回應:at+recv=6,0,0 (R15)

小結

公司設於深圳的RAK Wireless,在產品開發上的速度相當快速,而且能提供符合Maker及工程師需求的開發環境,並針對全球進行佈局,這在台灣的廠商身上,確實較少看到,值得多學學。

(責任編輯:葉于甄)

柯大

柯大

現為MakerPRO技術顧問,有近30年資訊電子產業研發經驗,關心最新技術,並投入不綴。亦熱心指導新興團隊參與技術創意競賽,獲獎無數。
專長包括物聯網軟硬體整合規劃設計、資訊服務系統整合規劃。熟悉各種物聯網開發板,包括Arduino、Edison、Linkit one、Ameba…...等。
柯大

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