LoRA WAN Workshop

Short Note: LoRA Workshop from #TESA #NIA #CAT #STMicro

LoRA

Long RAnge เป็นเทคโนโลยีการส่งข้อมูลแบบไร้สายในระยะไกล มีย่านความถี่ EU433 MHz, AS923 MHz และ 2.4 GHz ซึ่งเป็นย่านความถี่แบบ unlicensed band สามารถใช้งานได้ โดยที่ไม่ต้องขออนุญาต (ถ้ากำลังส่งไม่เกิน 500 mWatt )

สาเหตุที่ LoRA ได้รับความนิยม เพราะมีจุดเด่น คือ กินกำลังไฟต่ำ สามารถทำงานโดยใช้แบตเตอรี่ได้หลายปี และยังส่งข้อมูลได้ไกล หลายกิโลเมตร นอกจากนี้ ยังสามารถเชื่อมต่อกับ Gateway เชื่อมต่อเข้ากับเครือข่าย Internet เรียกว่า LoRAWAN อีกด้วย

ในการอบรมครั้งนี้ใช้ Board STM32Lo Dev Kit ซึ่งจัดได้ว่าเป็นรุ่นที่ประหยัดพลังงาน CAT ขายบอร์ดนี้ในราคา Promotion 1290 บาท ครับ (ตามรูปเลย) เขียนโปรแกรมด้วย ภาษา C โดยใช้ IDE เป็น Keil Editor

Training Software: http://www2.keil.com/stmicroelectronics-stm32/mdk

LoRA Class

สาเหตุที่ LoRA WAN ประหยัดพลังงาน เนื่องจากตัวอุปกรณ์ จะอยู่ในสภาวะ “Sleep” เมื่อไม่จำเป็นต้องส่งข้อมูล โดย LoRA มีโหมดการทำงาน 3 คลาส (ปัจจุบันมีให้ใช้เพียง 2 คลาสคือ A และ B) ดังนี้

Class A: เป็นวิธีที่อุปกรณ์ LoRA ส่งข้อมูลไม่บ่อย อยากจะส่งก็ส่งไปเลย (เหมือนหลักการของ ALOHA) เช่น Smoke detector ต้องการส่งข้อมูลไปหาตัวรับ Gateway (Uplink) เมื่อมีเหตุการณ์เกิดขึ้น ฝั่งรับ (Gateway) จะส่งข้อมูลรับกลับมาให้ตัวส่ง (downlink) ซึ่งก็ต้องรอช่วงเวลา ที่พอดีกับตัวอุปกรณ์ LoRA เปิดรอรับข้อมูล

ข้อดีคือประหยัดพลังงานมาก แต่ข้อเสีย คือ downlink ที่ส่งกลับมาหาตัวอุปกรณ์ LoRA อาจจะต้องรอเวลา ให้พอดีกัน ซึ่งก็มีโอกาสที่ข้อมูลอาจจะสูญหาย หากจังหวะการส่งไม่พอดีกัน

class B: เป็นรูปแบบการส่งข้อมูลที่ได้ดีขึ้น เพราะมีการเปิด downlink จาก คลาส A บ่อยขึ้น (ตามรูป) และจะกินพลังงานมากกว่า คลาส A แต่น้อยกว่า คลาส C

class C: เปิด uplink/downlink ตลอดเวลา สำหรับงานที่ต้องการความเสถียร แต่กินพลังงานมากที่สุด

กระบวนการเชื่อมต่อ

LoRA มีโหมดการ Activate ก่อนจะเชื่อมต่อ 2 โหมด คือ OTAA กับ ABP ดังนี้

OTAA ถ้ารู้ต้นทาง ปลายทาง ใช้ devEUI, AppEUI / AppKey ส่งหากันทำ handshake ก่อน เพื่อใช้ในการตรวจสอบ ก่อนที่จะมีการเชื่อมต่อ การใช้โหมดนี้ มีความยืดหยุ่นมากกว่า เพราะในกรณีที่เปลี่ยนเครือข่าย ก็ยังสามารถใช้งาน Configure เดิมได้

ABP รู้ว่าต้นทางอยู่ที่ไหน ปลายทางอยู่ที่ไหน ไม่ต้องตรวจสอบมาก กำหนด dev Address, Network key และ App Session key ใช้ในการเชื่อมต่อไปเลย ไม่ต้องมีการทำ handshake มีข้อดี เมื่อเวลา start อุปกรณ์ขึ้น ก็สามารถเชื่อมต่อได้เลย เร็วกว่าแบบ OTAA แต่หากเปลี่ยนเครือข่าย ก็ต้องมีการ Configure กันใหม่

LoRA WAN

อุปกรณ์ LoRA Device ส่งข้อมูลต่อไปยัง LoRA network ผ่านทาง LoRA Gateway

LoRA Gateway

สำหรับกรณีที่ทำ LoRA เพียงตัวเดียว และ มี Gateway ให้เชื่อมต่อ หลายตัว Gateway ก็จะได้รับข้อมูลซ้ำกัน เมื่อส่งต่อไปยัง network server แล้ว ตัว server จะนำข้อมูล ทั้ง timestamp และ ความแรงของสัญญาณ เพื่อหา packet ที่ซ้ำกัน และทิ้งตัวที่มีความแรงของสัญญาณน้อยกว่า และเลือกที่จะส่งต่อตัวที่มีความแรงของสัญญาณที่ดีกว่าต่อไปยัง Application server ต่อไป

LoRa Localization

LoRa มี มาตรฐาน ในการระบุตำแหน่ง โดยคำนวณจากสัญญาณและระยะเวลาที่ packet รับส่งกับ gateway ซึ่งเป็นหลักการเดียวกันกับการ Localization ทั่ว ๆ ไป ยิ่งมีจำนวน gateway เยอะ ๆ ก็จะระบุตำแหน่งได้แม่นยำมากขึ้น และประหยัดกว่าการใช้ GPS มาก รวมถึงการควบคุมการ Sleep ให้ประหยัดพลังงาน

ขอขอบคุณ CAT, TESA, STMicro, NIA และพี่มดแดง (TESA) อีกครั้งสำหรับ Workshop ดี ๆ ครั้งนี้นะครับ