شبکه LoRa و بررسی گیت‌وی Dragino LG01

شبکه لورا (LoRaWAN) یکی از پروتکل‌های اصلی دوربرد توان پایین LPWAN ویژه اینترنت اشیا است. این فناوری به سیگنال‌ها اجازه می‌دهد تا حتی در سطوح پایین‌تر از نویز نیز منتشر و بازیابی شوند. تجهیزات مبتنی بر LoRaWAN می‌توانند تا سال‌ها فقط با یک باطری کار کنند. شاید مهمترین مشخصه شبکه لورا (LoRaWAN) که توانسته است در کنار مزیت‌های فنی این پروتکل زمینه رشد سریع آن را فراهم کند، رویکرد غیر انحصاری توسعه این پروتکل بر بستر یک جامعه آزاد و با مشارکت مجموعه‌های مختلف فناوری باشد.

معماری فنی شبکه لورا (LoRaWAN)

همان‌طور که اشاره شد، شبکه لورا (LoRaWAN) یک پروتکل ارتباطی LPWAN ویژه اینترنت اشیا در باندهای فرکانسی بدون نیاز به مجوز (ISM) است که می‌تواند محدوده وسیعی را با توان مصرفی پایین تحت پوشش قرار دهد. این فناوری توسط شرکت Semtech و جامعه‌ای از شرکت‌های بزرگ حوزه فناوری (همچون IBM, Cisco, HP, Foxconn) که LoRa Alliance نام دارد، توسعه یافته و پشتیبانی می‌شود.

معماری ساختار یک شبکه لورا (LoRaWAN) همان‌طور که در شکل بالا آمده است از دستگاه‌های انتهایی مبتنی بر لورا (سنسورها و عملگرها که اصطلاحا End-Device خوانده می‌شوند)، گیت‌وی‌ها (LoRaWAN Gateways)، سرور شبکه و نهایتا اپلیکیشن و نرم‌افزار کاربر تشکیل شده است. توپولوژی شبکه لورا به صورت ستاره‌ای (Star of Stars) است. دستگاه‌های انتهایی اطلاعات را به از طریق شبکه لورا (LoRaWAN) به گیت‌وی ارسال می‌کنند. پس از دریافت داده توسط گیت‌وی، گیت‌وی اطلاعات را بر روی یک لینک ارتباطی مبتنی بر اینترنت به سمت سرور شبکه می‌فرستد. این لینک ارتباطی می‌تواند توسط شبکه LTE/3G، Ethernet و یا شبکه‌های داخلی طراحی شود. سپس اطلاعات توسط سرور شبکه در اختیار نرم‌افزار کاربران قرار می‌گیرد. در حقیقت گیت‌وی و سرور شبکه مانند یک واسطه بین نرم‌افزار کاربر و دستگاه‌های انتهایی ‌عمل می‌کند و امکان رسیدن داده به نرم‌افزار را فراهم کند. در شبکه لورا (LoRaWAN) داده‌ها به صورت کامل (End-to-End) بین دستگاه‌ها و اپلیکیشن کاربر از طریق رمزگذاری AES ارسال می‌شود. از این رو امنیت اطلاعات کاربران نیز تضمین می‌شود.

فناوری LoRaWAN با بکارگیری لینک متقارن، امکان ارتباط کاملا دو سویه را فراهم می‌کند؛ این مساله به ویژه در سرویس‌های اینترنت اشیاء که نیاز به ارسال دستورهای کنترلی از سمت سرور به تجهیزات انتهایی را دارند، بسیار با اهمیت است.

در LoRaWAN نرخ ارسال داده مبتنی بر پروتکل لایه فیزیکی LoRa 27 kb/s است و هر گیت‌وی می‌تواند داده‌های هزاران دستگاه انتهایی را جمع‌آوری کند. همچنین پوشش رادیویی هر گیت‌وی شبکه لورا (LoRaWAN) در مناطق باز و حومه شهر تا ۱۵ کیلومتر نیز می‌رسد.

لایه فیزیکی و مدولاسیون لورا (LoRaWAN)

اگرچه در بسیاری موارد شبکه LoRaWAN در کلام بطور مختصر لورا (LoRa) خوانده می‌شود، اما از نظر فنی، این دو متفاوت هستند. لورا پروتکل لایه فیزیکی یا مدولاسیون بیسیمی است که به منظور ایجاد لینک ارتباطی با ناحیه پوشش وسیع استفاده می‌شود. بسیاری از سیستم‌های پیشین به منظور رسیدن به توان پایین از مدولاسیون (FSK Frequency Shift Keying) در لایه فیزیکی بهره می‌بردند. اما لورا مبتنی بر مدولاسیون CSS (Chirp Spread Spectrum) است که علاوه بر فراهم آوردن خاصیت توان پایین مدولاسیون FSK ، ناحیه پوشش و نفوذپذیری را نیز به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. چندین دهه چنین مدولاسیونی به دلیل مقاوم بودن در برابر تداخل (Interference) و ناحیه پوشش وسیع، تنها در کاربردهای نظامی و ارتباطات فضایی استفاده می‌شد. اما LoRa اولین پیاده‌سازی کم هزینه و مناسب برای کاربردهای تجاری از چنین سیستمی است که در باندهای بدون نیاز به مجوز کار می‌کند.

پروتکل LoRaWAN در حقیقت پروتکلی در لایه بالاتر (MAC) است که بر پایه پروتکل LoRa توسعه یافته و کار می‌کند و امکان راه‌اندازی یک شبکه کامل را فراهم می‌سازد.

مدل توسعه شبکه لورا (LoRa)

از نظر مدل توسعه، شبکه لورا (LoRaWAN) در مقابل شبکه SigFox استراتژی کاملا متفاوتی را اتخاذ کرده و مشارکت در تمام قسمت‌ها باز و ممکن است. عضویت در LoRa Alliance و مشارکت در توسعه و استفاده از استانداردهای این فناوری برای همه امکان‌پذیر است. هر شرکت سخت‌افزاری می‌تواند دستگاه‌های انتهایی و گیت‌وی را مطابق با استانداردهای شبکه لورا تولید کند. حتی تولید ماژول‌های رادیویی (لایه فیزیکی) که تا دو سال پیش تنها توسط Semtech انجام می‌گرفت، با فروش license به کمپانی‌های NXP و Microchip ، از انحصار یک کمپانی خاص خارج شده است.

از این رو شبکه لورا (LoRaWAN) راهبرد توسعه بسیار منعطفی را پیش گرفته که در نتیجه آن به توسعه شبکه به یک شرکت خاص وابسته نیست. همین امر رشد این پروتکل را سرعت بخشیده است و علی‌رغم شروع دیرتر نسبت به SigFox‌ هم‌اکنون در مناطق بیشتری پوشش رادیویی دارد. شبکه لورا تاکنون (سپتامبر ۲۰۱۸) در ۹۵ کشور وجود دارد و این روند توسعه در آینده سیاره‌ای هوشمند خواهد ساخت. همچنین مدل‌های متنوعی نیز از شبکه‌های کاملا خصوصی و خارج از بستر اینترنت، تا شبکه‌های عمومی با طرح‌های تجاری مختلف، بر بستر این فناوری شکل گرفته است. از سوی دیگر اکوسیستم باز شبکه لورا موجب شده است که این فناوری در بخش فنی نیز به سرعت توسعه و در این زمینه نسبت به سایر پروتکل‌ها پیشی گیرد.

ساختار فریم LoRa

ارسال اطلاعات از دستگاه نهایی به دروازه “Uplink” و ارسال اطلاعات از دروازه به دستگاه نهایی “Downlink” نامیده می‌شود.کلاسهای مختلفی درشبکه LoRa پشتیبانی می شود که به نام های Class A,Class B, Calss C تعریف شده. در شکل نمایش داده شده فریم LoRa تشکیل شده از قسمت Uplink و Downlink .در ساختار Calss A یک فریم Uplink به همراه دو فریم Downlink دنبال می شود.

پروتکل پشته LoRa

همانطور که در شکل زیر می بینید پروتکل پشته در LoRa شامل لایه کاربردی , لایه MAC, لایه PHY و لایه RF می‌باشد. اطلاعات لایه های کاربردی و MAC دستورات مورد نیاز برای اتصال بین دستگاه نهایی و دروازه را فراهم می کنند.

مشخصات گیت وی Dragino LG01-P

دراگینو LG01 یک گیت وی متن باز و تک کانال برای شبکه لورا می باشد. این گیت وی دارای قابلیت اتصال به اینترنت از طریق شبکه باسیم، بی سیم و شبکه سلولی را می باشد. این گیت وی قابلیت اجرای نسخه از لینوکس به نام openWRT می باشد که می توان از آن به عنوان وب سرور و پیاده سازی پروژه های IOT استفاده نمود.

مشخصات فنی

Features

• Open Source OpenWrt system
• Low power consumption
• Firmware upgrade via Web
• Software upgradable via network
• Auto-Provisioning
• Built-in web server
• Managed by Web GUI, SSH via LAN or WiFi
• Support WiFi AP, Client or Ad-Hoc(Mesh) mode
• Internet connection via LAN, WiFi, 3G or 4G
• Failsafe design provides robustly system
• Arduino IDE compatible. Easy to program.
• LoRa band available at 433/868/915/920 Mhz
• Max range in LoRa : 5 ~ 10km

Applications:

• Wireless Alarm and Security Systems
• Home and Building Automation
• Automated Meter Reading
• Industrial Monitoring and Control
• Long range Irrigation Systems
• GPS tracker,etc

Specifications:

Linux Side:

• Processor: 400MHz, 24K MIPS
• Flash: 16MB ; RAM: 64MB

MCU/LoRa Side:

• MCU: ATMega328P
• Flash:32KB, RAM:2KB
• LoRa Chip: SX2176/78

Interfaces:

• 10M/100M RJ45 Ports x 2
• WiFi : 802.11 b/g/n
• LoRa Wireless
• Power Input: 12V DC
• USB 2.0 host connector x 1
• USB 2.0 host internal interface x 1

Package Info:

• 1 x LG01-S or LG01-P LoRa Gateway
• 1 x Glue Stick Antenna(868 MHZ, 433 MHZ or 915 MHZ depends on order)
• 1 x Power Adapter
• 1 x Screw Terminal (For Screw Version only)
• Enviromental Package

بررسی ساختار گیت وی LG01

پردازنده اصلی این گیت وی میکروپروسسور ATHEROS AR9331 می باشد که همراه را 64 مگابایت حافظه رم و 16 مگابایت حافظه فلش در قالب ماژول Dragino HE از آن استفاده شده است.این ماژول دارای وای فای می باشد و سیستم عامل openWRT را اجرا می کند. پردازش های اصلی گیت وی بر روی این ماژول انجام میشود.

مشخصات این ماژول به شرح زیر می باشد:

• CPU: ATHEROS AR9331 chipset, which integrates MIPS 24Kc processor, CPU 400MHz, Switch (MAC, PHY) and integrates with MAC, RF, PA and LNA for WiFi.
• RAM : 64MB;
• Flash: 16MB
• Interfaces: 2 x RJ45, 1 x USB Host, 1 x UART, 14 multiplex GPIOs
• OS: Open Source OpenWrt
• Power: 3.3v power input
• WiFi: Support 150M 2.4Ghz WiFi, 802.11 b/g/n
• Frequency range: 2.4~2.4835GHz
• Modulation: BPSK, QPSK, CCK and OFDM (BPSK/QPSK/16-QAM/ 64-QAM)
• Sensitivity @PER: 135M : -65dBm@10%PER; 65M : -65dBm@10%PER; 54M : -68dBm@10%PER; 11M : -84dBm@8% PER; 6M : -88dBm@10% PER; 1M : -90dBm@8% PER
• Typical Distance: Indoor: 60m (max); Outdoor 150m (max) (with 2 dBi antenna)
• RF Power: 11n: 13dBm; 11g: 13-15dBm, 11b: 16-18dBm,
• Connector: I-PEX connector. Provide Optional ANT pin out for SMT

این ماژول از طریق پورت سریال به میکروکنترلر ATMEGA328P که بوت لودر آردوینو بر روی آن پروگرام شده است، متصل است. ارتباط بین این دو پردازنده از طریق پروتکل Yun Bridge انجام می شود. توسط این پروتکل می توان یک ارتباط دوطرفه بین میکروکنترلر و میکروپروسسور ایجاد نمود به صورتی که میکروکنترلر می تواند به ترمینال لینوکس و لینوکس به متغییر ها و امکانات جانبی میکروکنترلر دسترسی داشته باشد.

برای دریافت اطلاعات بیشتر درباره این پروتکل می توان به لینک های زیر مراجعه نمود.

https://www.arduino.cc/en/Reference/YunBridgeLibrary

http://www.martijnschut.nl/arduino-yun-bridge-library-example-code/

مودم LoRa

گیت وی LG01 برای اتصال به شبکه لورا از ماژول رادیو Sx1276 ساخت شرکت Semtech استفاده می کند. این ماژول از طریق SPI به میکروکنترلر متصل شده است و وظیفه راه اندازی و کنترل آن به عهده میکروکنترلر می باشد. این ماژول قابلیت کار با فرکانس های شبکه لورا را دارا می باشد.

• Frequency Range: 868/915MHz
• Modulation: FSK/GFSK/MSK/LoRa
• SPI Data Interface
• Sensitivity: -139dBm
• Output Power: +20dBm
• Data Rate: <300 kbps
• 127dB dynamic Range RSSI
• Excellent blocking immunity
• Preamble detection
• Automatic RF sense and CAD monitor
• Working Temperature: -40°C ~+80°C
• Build-in temperature sensor
• Standby current: ≤ 1uA
• Supply voltage: 1.8~3.6V

راه اندازی و تنظیمات اولیه گیت وی

از طریق کابل شبکه و شبکه بی سیم می توان به گیت وی متصل شد. دسترسی به صفحه تنظیمات گیت وی از طریق آی پی 10.130.1.1، نام کاربری root و کلمه عبور dragino امکان پذیر می باشد. همچنین می توان از طریق پروتکل ssh به گیت وی متصل شد.

برنامه ریزی میکروکنترلر نیز از طریق شبکه و نرم افزار آردوینو انجام می شود. بسته به نوع عملکرد گیت وی می توان برنامه های متفاوت را بر روی آن پروگرام نمود.