Wei: 9月 2017

Wei Lin
2017/09/12

緣由

前一陣子做了 MQTT 的實驗，最近又開始接觸 LoRa，有天想到可以把這兩項技術結合在一起，採用蜂巢網路的模式，透過 MQTT 串聯與整合分散在各地區的 LoRa networks。

為了以後可能的需要，就花了一個週末的時間先把這個模型做出來，如果以後我需要佈署自己的 LoRa 網路時就可以派上用場。

目前只有做出這個模型，沒有經過壓力測試。我手上只有四個 LoRa transceivers，所以只能用這樣兩組 gateway + node 的組成來測試。

不 follow LoRaWAN 的規範，純粹個人實驗。

GitHub repo.

LoRa 的優點

LoRa 最近很熱門，因為它具有範圍大，低耗能，成本低的特點:

長距: 涵蓋面積大，只需要少數 gateways 即可涵蓋頗大的地理範圍。
低耗能: 靈敏度可以到 -148dbm ，可以用較低的能量傳遞較遠的距離。
末端節點成本低: 單一 channel 的 transceiver 並不算貴。
平行作業: 使用無線電廣播，訊號可同時傳達多個點。

出發點與目的

其實我比較注重如何建構 M2M (machine to machine) 的溝通機制，主要是想利用 LoRa 低成本、低耗能的優勢，用大範圍無線通訊作為 M2M event system 中，事件推播的機制。

LoRa 的缺點

但是如果要在城市中佈署 LoRa 網路，也是會遇到很多缺點與困難，例如:

制高點得之不易: 制高點相對稀少且可能有額外成本。
gateway 設備並不是很便宜:

市面上的 LoRa gateway 通常具有同時多 channels 收發訊號的功能，價格由數千元至上萬元不等，實在不算便宜。

整體資料throughput 不大，因為:

障礙

在都市叢林中會受到障礙與干擾的影響，傳輸速率受限。

環境吵雜訊號碰撞

涵蓋範圍越大，表示其中的 nodes 越多，訊號碰撞的機率越高，整體有效的資料傳輸量較容易受到限制。
訊號涵蓋範圍大，如果主要是為了 downlink 的用途的話那就太棒了，因為發送的訊息可以同時送達範圍內所有的 nodes。但如果主要的用途是要從廣大地區收集資料回來，也就是以 uplink 為主的用途，那麼涵蓋範圍越大，nodes 數量越多越容易發生訊號碰撞的情況。

傳輸速度不高

為了要傳比較遠端距離，傳輸速度不能太快，這算是傳輸距離遠的代價。

想法

主要的想法是:

採用 GSM 蜂巢網路的模式

城市中建物障礙多，line of sight 難得，LoRa 訊號的傳輸功率開大的話，影響範圍更大，涵蓋的 node 數量會較多，容易會有更多的訊號碰撞。
不如採用 GSM 蜂巢網路的模式，功率開小一點，gateway 多一點，每個 gateway 因為功率較小，涵蓋範圍也較小，範圍內的 node 數量少，訊號碰撞的機率就會跟著比較低，傳輸速率可以提高；而且每個 gateway 的涵蓋範圍雖然不大，但因為數量多，所以整體涵蓋範圍也不小，也比較容易消除訊號的死角，反而比較適合在城市之中佈署。

以 MQTT 作為傳遞資料的 backbone

MQTT 因為採用 publish / subscribe 的模式，可以做到廣播的效果，也可以針對性地傳遞資料給指定的對象，相當彈性且高效能，可以做為在各 gateways 之間傳遞資料的backbone。
一個 gateway 其實就是一個 MQTT client，可以收發 MQTT 訊息。

gateway as woker

以 Celery 的觀點來看，一個 gateway 也是一個 worker，我們可以透過 MQTT 傳達 message 給各個 gateways，指揮它們做特定的工作。各個 gateway 之間也可以藉此機制互相溝通與合作。

作法與特色

主要的作法與特色是:

定址

每個 LoRa node 或者 gateway 都有一個 EUI-64 的地址

無主機

gateways 們會互相分享與交換資料，並無中央主機來做管理。

Routing table 自動產生與更新

LoRa node 每次發射訊號的時候，會被依據訊號強度自動 clustering 並歸屬到最接近的 gateway，由該 gateway 負責回應 ACK 或收發其他 LoRa packet。而且 gateways 之間會隨時互相交換 routing table 資料，LoRa node 可以無隙 roaming。
可以用 RSSI 來做地理位置定位 (Geolocation)。

兩種傳遞資料的模式

如果 payload 中有註明目的地的 EUI，則會藉由 MQTT 將之 route 到離目的地最近的 gateway 才轉而以 LoRa 的訊號發送出去。

一個 LoRa node 可以 "撥號" 並傳遞資料給某一個特定的 LoRa node ，只要指定對方的 EUI 地址即可，payload 會由 gateways 自動做 routing，降低對其他地區不相關的 LoRa nodes 的干擾.

如果 payload 中沒有註明目的地的 EUI，則會藉由 MQTT 將 payload 傳送給每一個 gateway，再轉為 LoRa 訊號發射出去給各 network 中的 LoRa nodes，效果等同是做全域的廣播。因此，台中，台北，高雄若各有一個小型的 LoRa network，可以藉由此 MQTT 平台串聯並視為單一個 LoRa network。

降低佈署 gateway 的門檻

成本低，每個 gateway 本身的硬體成本相對低很多，志願者負擔得起。

所使用的 Gateway (ESP32 + RFM96W)

市面上也有賣這種整合 ESP32 + SX1278 的模組，

成本可以壓低到三百元以下

不需要設定，只需要連上WiFi 網路，即可成為一個gateway，服務周圍幾百公尺內的 LoRa nodes。

提升資料 throughput

降低碰撞的機率

因為可以依據目的地的 EUI 位址決定 MQTT route 資料的路線，所以可以避免做全域性的廣播，可以傳遞資料並且避免干擾不相關的其他地區網路。

MQTT 與 LoRa 雙向的資料交換

可以由外部送一個 MQTT message 給 gateway，命令其發送 LoRa 訊號並傳遞資料給特定的 node 。
可以藉由 MQTT 的機制收集末端節點透過 LoRa 訊號所傳送出來的資料。

實驗模型說明

由左到右分別是 node2, gateway2, gateway1, node1
使用 SF(Spreading Factor) 隔離: node2, gateway2 的 SF = 9，node1, gateway1 的 SF = 8。這樣可以模擬兩個距離相當遠，原本無法相通訊息的 LoRa networks。
node1, node2 隨機每隔 2~4 秒傳送一個 packet 給各自的 gateway。
node 或 gateway，收到 packet 之後 LED燈會閃一下。
gateway 收到 node 所傳來的訊號之後

會透過 MQTT 互相交換網路拓樸資料。
由最接近的 gateway 回應 ACK。
會依據所收到的 payload 中所標註的目的地 EUI，將 payload forward 給最接近目的地的 gateway 做 transmit。

可以由 PC端發送 MQTT message 命令某一個 gateway 傳送 message中夾帶的 payload 給任一指定 EUI位址的 LoRa node。
node1 是用 ESP8266 做的，LED燈在上方，有點被擋住，透過電腦螢幕的鏡面反射反而看得比較清楚。

後記

2017/09/15:

打破界線，將 SF 都設為 8，所以現在四個 device 彼此都會聽到對方的 LoRa 訊號，而兩個 gateways 就必須要能判斷一個訊號是由別的 gateway 還是 node 傳過來的，並且藉由 RSSI 來隨時判斷每個 node 要由哪一個 gateway 負責對應來收發 LoRa 訊號。

最近入手這種 ESP32 + SX1278 LoRa + SSD1306 OLED 整合模組，整體設計相當簡潔，目前的價格大約台幣 300元，以後可能更便宜。

為了兼容這個模組，特別加了一個 controller_esp_ttgo_lora_oled 的 subclass，並且將有使用到的 SSD1306 driver 含括進來。雖然腳位定義不同，但已經都封裝在 controller 的子類別 (controller_esp_ttgo_lora_oled ) 中，所以應用的時候使用者可以如常使用 controller 所定義的 interface 即可，不需要去操煩底層實作的細節。