研發紀事

# [模組] LoRa 模組範例測試通訊距離 # [模組] LoRa - Arduino MKRWAN 1300 通訊模組 模組說明          過去挪威公司 Nordic 開發兩款無線通訊傳輸模組，一種用在中低頻段 (433/868/915 MHz)，稱為 nRF905 ；另一種用在高頻段 (2.4 GHz)，稱為  n RF24L01 。以 RF 特性來看這兩款模組，低頻傳輸距離較高頻遠，低頻訊號具有繞射特性，高頻訊號穿透性較差，不過高頻的資料傳輸率比較高，NRF24L01 傳輸率 > 250kbps，NRF905傳輸率 < 50kbps。因此，我們可以依據應用的需求，選擇適合的無線模組。        圖一所示為 Nordic 公司的 NRF 模組的內部方塊圖，圖右邊有 SPI 控制介面可以讀寫晶片內的暫存器，這些暫存器組算是晶片基頻的數位資料，已經被解調後的資料了。另外，控制接腳用來切換 TX/RX 模式，RF 模組的傳輸可視為 半雙工 方式，因為不可能同時發送又接收。圖左邊是天線，內有一機制是模式切換，就是技術文件裡說的 BurstTX 和 BurstRX。接收端，後面接一個 LNA 放大器，將接收下來的小訊號放大以便讓後端解調處理。發射端，接一個 PA 放大器，將調變訊號再增強以便發射出去，PA 增益越大，發射的距離越遠，但是以這模組上的 PA 放大功率有所限制，主因還是使用無線頻譜資源必須得遵守， 不可干擾其他設備 。 圖一：NRF 無線模組的內部方塊圖 資料傳輸測試         NRF 模組內部有兩大機制，一個是位址，一個是 CRC 檢測，必須位址正確了，加上 CRC 檢測無誤，這樣才算完整接收成功。為了驗證資料丟失率，我們用兩塊 Arduino 開發板和 NRF905 模組，當做資料乒乓傳輸測試，一邊當發射端，一邊當接收端。發射端送出資料後，接收端收到後必須再回傳，發射端確認回傳資料無誤後，紀錄一次正確傳輸，如果一段時間沒有收到，代表資料丟失，記錄一次失敗傳輸，發射端再重新傳輸一次。         底下影片紀錄雙邊通訊的情況，在短距離的範圍內 (< 1公尺)，發送一筆 4 bytes 長度的資料，接收端再回傳資料，當做 ACK，過程中還是有丟失資料的現象。測試代碼可參考 [2][3]。 影片：兩個 NRF90

實際應用         在一個監控系統之中，網路通訊往往是最基礎的建置，如果已經布建了有線網路，自然省了網路通訊的工事。不過，有些監控環境幅員廣大，並不適合布建有線網路，因為採用 4G 通訊模組較為方便，如下圖一所示。         在圖中的左邊是監控的場域，圖中的右邊是監控中心，配置有資料庫系統。在偏闢的場域，安裝各種感測器，並將收集到的資料回傳監控中心的資料庫，這時整合一個 4G 通訊模組彼拉有線網路更為有效率。因此，我們研究目前市面的 4G 模組，並進行測試。購買模組時，要留意 4G 支援的頻道，有些模組支援的頻道數不夠多，未來使用時可能會遇上通訊不通，而我們實驗的模組是 4G - EC20 (Quectel)。 圖一：4G 通訊模組應用在監測環境 模組類型         目前我們使用的 4G 模組有兩種，可以依據本身的需求選用適合的模組，一種是用來整合嵌入式系統的模組，一種是獨立運行的模組。說明如下：         1) UART 介面為控制的模組：這種 4G 模組可以用來與其他模組整合在一起，MCU 藉由 UART 介面與 4G 模組連接，指令與資料傳輸都透過這介面通訊，MCU 組成一個系統並負責整合每個模組的運作。如下圖二所示，這種模組比較容易吸引 maker 的使用。         2) 路由器的模組：這種 4G 模組已經可以直接單獨使用，本身有乙太網路端口，如下圖三所示。運行這模組之前，我們需要先配置這 4G 路由器，類似配置 IP 分享器一樣。 圖二：以 UART 介面控制的 4G 模組 圖三：4G 模組路由器 UART 介面控制         4G 模組的控制指令都是靠 UART 介面做通訊媒介，而網路封包的資料也是透過 UART 介面傳送的，UART 通訊配置為 115200 bps, 8-N-1 的格式，看的出來這只適用於 低流量 的通訊應用。接著來了解一下如何使用模組，控制模組的指令是以 AT 方式處理，簡單區分下列的 AT 指令：         1) 控制指令：這些指令包含一些設定配置，或者各種查詢的指令。比如： ATI 查詢模組型號， ATE0 關閉指令的 echo 回應， AT+CSQ 查詢訊號強度...等等。更多的指令可以參考模組的文件。         2) 電話簡訊指令：這模組也能傳送簡訊，適合應用在行動電話的告