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UD7.5. MÓDULOS RF LORA

OBJETIVOS

OBJETIVOS:

• Comprender el funcionamiento de estos nuevosmódulos de RF de mayor alcance con menorpotencia.

• Adaptar cualquiera de nuestras aplicaciones deRF para obtener mayores prestaciones.

• Ampliar el abanico de posibilidades de nuestrasaplicaciones con RF por debajo de la señal deruido.

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¿QUÉ ES LoRa™?

• LoRa™ (Low Power Wide Area Network).Estos módulos RF tienen un alcance de15Km y trabajan a 433 MHz o 868 MHz.Además incorporan el protocoloLoRaWAN™ que le permiten reducirsignificativamente el tiempo al mercado.Aplicaciones: agricultura, ciudadesinteligentes, redes de sensores, SmartHome y Smart City.

¿QUÉ ES LoRa™?

• El módulo tiene dos modulacionesdiferentes LoRa que es propiedad deSemtech y la modulación FSK estándar.Normalmente el sistema viene preparadopara trabajar en modo LoRa.

• Se trata de una modulación avanzada yprivada que aumenta el rango encomparación con las modulaciones clásicas.

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¿QUÉ ES LORA?

MEJORAR EL ALCANCE CON LA MENOR POTENCIA POSIBLE

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CARACTERÍSTICAS MÓDULOS LORA

• LoRa™ Incluye controlador PIC interno• Comandos ASCII para configuración• Alimentación entre 1,8 y 3,6 V• Para Europa:

• Certificación ETSI• Banda Dual: 433.9 MHz – 868 MHz• Antena fuera de placa.

• 8 Pines analógicos y 6 pines digitales• 2 USART y un puerto I2C• Tamaño 27x18x3,2 mm• Potencia máxima 25mW• Potencia en antena 14 dBm

PRINCIPIOS FUNCIONAMIENTO LORA

• El gran alcance de estos módulos está basado en poder enviar información por debajo del nivel de ruido.

+20dBm

-137dBm

+14dBm

-148dBm

Nivel de Ruido Nivel de Ruido

157dBm 162dBm

• A mayor diferencia de dBm mayor alcance. En gráfico de la derecha con 25 mW podemos obtener un alcance de 80Km.

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PRINCIPIOS FUNCIONAMIENTO LORA

• Si el canal es más estrecho el umbral de ruido baja y emite más potencia permitida.

• El sistema de modulación es dinámica lateral, es decir, obtenemos los bits por modificación en el tiempo.

SISTEMA SIGFOX

• El sistema SIGFOX es una red alternativa a la red móvil.• No es necesaria SIM ni activación de servicio• Se pueden enviar pocos bits pero un gran alcance• Muchas utilidades:

• Contadores de agua• Contadores de electricidad• Agricultura• Automoción• Industria• Redes privadas• …

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PARÁMETROS CONFIGURABLESFunciones básicas

• Ancho de banda (BW):

Abrir puerto SPI para configurar el módulo. Estado ON

sx1272.ON();

Cerrar el puerto SPI. Estado OFF

Sx1272.OFF();

PARÁMETROS CONFIGURABLESModos de Transmisión

• Ancho de banda (BW):

El valor de la anchura de banda muestra cómo va a ser la señalde transmisión. Sólo se puede elegir entre 3 opciones: 125KHz,250 KHz o 500 KHz. Si se requiere una transmisión rápida, unvalor de 500 KHz es mejor. Pero si se necesita un gran alcance,se debe emplear una de 125KHz, dicho valor debe serconfigurado. Cuanto menor sea el ancho de banda mayor es eltiempo que la información esta en el aire y también se mejora lasensibiilidad , por lo que la comunicación tiene un mejor balancedel enlace. El usuario también debe tener en cuenta que menorancho de banda supone un aumento en el consumo de la batería.

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PARÁMETROS CONFIGURABLESModos de Transmisión

• Tasa de codificación (CR):

El valor de la tasa de codificación se debe elegir entre 4opciones: 4/5, 4/6, 4/7 y 4/8. Denota que cada 4 bits útiles van aser codificados por 5, 6, 7 u 8 bits de transmisión en función desu valor. El tipo de codificación más pequeña es 8.4, mayortiempo en el aire de la transmisión, por lo que toma más tiempopara transmitir un paquete. Esto facilitará la tarea de recibir, yaque cada símbolo enviado está más tiempo en el aire y elreceptor pueda demodular paquetes con una potencia inferior.Esto significa que el receptor tiene una mejor sensibilidad, por loque el usuario tiene mejor balance del enlace. Pero lastransmisiones de datos lentas tienen un impacto en el consumode la batería.

PARÁMETROS CONFIGURABLESModos de Transmisión

• Factor de dispersión (SF):

El factor de dispersión es el número de bits por símbolo que seutiliza en el tratamiento de datos antes de la señal detransmisión. Su valor es un número entero entre 6 y 12. Esteparámetro es relevante en la técnica de espectro utilizado.

Cuanto mayor es el valor de este parámetro más capacidad tieneel receptor para alejarse de la señal de ruido.

Así que si el valor es elevado, no solo más tiempo se tarda enenviar un paquete, sino también el alcance es mayor porque elreceptor tiene una mayor sensibilidad.

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PARÁMETROS CONFIGURABLESModos de Transmisión

Hay diez modos predefinidos en la API, incluyendo el modo de mayor distancia, elmodo más rápido, y otros ocho modos intermedios que se han encontradointeresantes. Todos ellos pueden ser modificados o suprimidos, y también es posiblefijar nuevos modos con la función apropiada. Los modos predefinidos y suspropiedades se muestran en la siguiente tabla.

PARÁMETROS CONFIGURABLESModos de Transmisión

Los tiempos de transmisión se han medido para un proceso detransmisión completo: alimentar el módulo, configurar el módulo,enviar un paquete de 100 bytes y alimentar el módulo en modostand by.

El usuario podrá elegir el modo más adecuado para que laaplicación, después de la fase de prueba, funcione correctamenteya que no hay un modo perfecto ya que depende de distitassituaciones.Para configurarlo se utiliza la siguiente función:

sx1272.setMode(Nº de Modo elegido);

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PARÁMETROS CONFIGURABLESParámetros del nodo

Al configurar un nodo, es necesario establecer algunos parámetros queserán utilizados en la red, y algunos parámetros son necesarios para suconfiguración.

• DIRECCION DEL NODO:

• Cada módulo debe tener una dirección única de 8 bits.• Se identifica de forma única un nodo dentro de una red.• Es necesario asignar el valor de la dirección cada vez que el

módulo está establecido en ON.• La dirección de nodo 0 y la dirección de nodo 1 están reservadas

para transmitir la comunicación y designar quien es el nodo centralde la red respectivamente.

• Con el fin de respetar esto, los usuarios deben asignar la direccióndel nodo 1 al módulo en el nodo central y direcciones de nodo 2-255 a todos los otros nodos en la red.

PARÁMETROS CONFIGURABLESParámetros del nodo

Eso significa que una red consistirá en:• 1 nodo central. Valor de dirección igual a 1• Hasta 254 nodos. Valores de dirección 2-25• El usuario no tiene que asignar la dirección de nodo de 0 a

cualquier nodo, ya que está reservado para indicar el módulo que queremos llevar a cabo una difusión de transmisión.

Asignar nodo:

sx1272.setNodeAddress(Nº de nodo);

Conocer nodo:sx1272.getNodeAddress();

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PARÁMETROS CONFIGURABLESParámetros del nodo

BANDAS DE FRECUENCIA:

Hay dos bandas de frecuencia disponibles para trabajar con este módulo,868 MHz y 900 MHz ISM. Dependiendo del país el usuario se encuentra,se elegirá uno u otro. Dentro de cada banda de frecuencia hay varioscanales, por lo que el usuario puede seleccionarlos a libre elección.

CANALES:

Este parámetro define el canal de frecuencia utilizado por el módulo paratransmitir y recibir.Hay 8 canales definidos para ser utilizado en la banda de 868 MHz y 13canales para ser utilizado en la banda de 900 MHz.

Asignar canal: sx1272.setChannel(CH_00_900);Conocer canal: sx1272.getChannel();

PARÁMETROS CONFIGURABLESParámetros del nodo

DISTRIBUCIÓN DE FRECUENCIAS EN LOS CANALES:

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PARÁMETROS CONFIGURABLESParámetros del nodo

DISTRIBUCIÓN DE FRECUENCIAS EN LOS CANALES:

PARÁMETROS CONFIGURABLESNivel de Potencia

NIVEL DE POTENCIALa potencia puede ajustarse según los siguientes parámetros:

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PARÁMETROS CONFIGURABLES¿Qué es la relación señal ruido?

La relación señal ruido (a menudo abreviado como SNR o S/R) es unamedida de ingeniería electrónica que define la relación entre la potenciade una señal con la potencia del ruido que la corrompe o estropea.En términos menos técnicos, la relación señal ruido compara el nivel deuna deseada señal (como música) con el nivel del ruido de fondo. Cuantomás alto la relación, menos molesto es el ruido de fondo. El conceptotambién puede ser entendido como normalizando el nivel de ruido a 1 (0db).En general cuanto más alto es la señal sobre el ruido mejor; la señal esmás clara.

• 6dB o menos es muy malo y se podría experimentar falta desincronismo o problemas intermitentes de sincronismo.

• 7dB-10dB es favorable pero no deja mucho espacio para variacionesde las condiciones.

• 11dB-20dB es bueno con pocos o ningún problema de sincronismo.• 20dB-28dB es excelente.• 29dB o por encima es extraordinario.

PARÁMETROS CONFIGURABLESParámetros Nivel de Potencia

RSSI de un paquete y RSSI del canal:

Estos parámetros informan de la intensidad de la señal recibida del últimopaquete recibido y el valor actual de la intensidad de la señal recibida en elcanal seleccionado.El RSSI del paquete es la significativa: si su valor es mayor que lasensibilidad del paquete enviado la transmisión es correcta, de lo contrariose perderá el paquete. El RSSI del canal informa el nivel de la señaldetectada en todos los momentos, incluso si no es señal que se transmite,por lo que también proporciona información sobre el nivel de ruido.

Obtener valor RSSI paquete recibido:sx1272.getRSSIpacket();

sx1272._RSSIpacket Mostrar el valor RSSI paquete

Obtener el valor RSSI del canal:sx1272.getRSSI();

sx1272._RSSI Mostrar valor RSSI

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PARÁMETROS CONFIGURABLESParámetros Nivel de Potencia

Relación señal ruido (SNR):

El múdulo SX1272 informa de la relación señal-ruido del último paqueterecibido. El módulo SX1272 es capaz de demodular señales recibidas conlos valores de SNR muy bajas. Si sabemos el nivel de SNR es posibletener una idea acerca de la calidad o la salud de la relación, y por tanto ladistancia a la cual puede llegar un enlace de comunicación.

Obtener el valor de SNR del paquete recibido:

sx1272.getSNR();

Mostrar el valor de SNR del paquete recibido:

sx1272._SNR;

PARÁMETROS CONFIGURABLESOtras funciones de configuración

Sx1272.setPower(); Configura la señal de potencia en el móduloSetPacketLength(); Configura la longitud del paquete a enviarSx1272.setNodeAddress(); Configura la dirección del nodo dentro de redsetMaxCurrent(); Configura la máxima corriente del amplificadorgetTemp(); Captura la temperatura de trabajo del módulo

ORDENES PARA ENVIAR Y RECIBIR DATOS:

Sx1272.sendpacketTimeout(); Envia la información a la direcciónespecificada (Ejemplo: sx1272.sendPacketTimeout (8,mensaje1); siendo 8el nodo al cual se le envía la información y mensaje1 el texto que sequiere enviar.Sx1272.receiverPacketTimeout(); Recibe la información antes de que eltiempo estipulado expire.Sx1272.packet_received.length; Especifica la longitud del paqueterecibido.Sx1272.packet.received.data[i]; Incluye la infor´nación del paqueterecibido.

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PRIMER PROGRAMAConfiguración del transmisor

#include "SX1272.h“ //Librería modulos LoRa#include <SPI.h> //Librería SPI

int e; //Declaramos variable enterachar message1 [] = "Packet 1, Este es el mensaje enviado por el transmisor";char message2 [] = "Packet 2, Recibido correctamente. Gracias";

void setup(){Serial.begin(9600);//Abrimos puerto seriee = sx1272.ON();//Poner a ON el móduloe = sx1272.setMode(Nº modo);//Configurar modo de transmisióne = sx1272.setHeaderON();//Configurar modo de cabecera ONe = sx1272.setChannel(CH_canal_frec);//Configurar canal y frecuenciae = sx1272.setCRC_ON();//Configurar modo de errores a ONe = sx1272.setPower(‘Letra');//Configurar modo nivel de potenciae = sx1272.setNodeAddress(Nº nodo);//Seleccionar nodo del módulo

Serial.println(F("SX1272 configuración correcta"));//Imprime configuración correctaSerial.println();

}

PRIMER PROGRAMAConfiguración del transmisor

void loop(void){e = sx1272.sendPacketTimeout(Nodo receptor, mensaje1);//Envia mensaje al nodoreceptor

delay(4000);

e = sx1272.sendPacketTimeout(8, message2);// Envia segundo mensaje al nodoreceptorSerial.print(F("Packet sent, state ")); /Imprime estado del envioSerial.println(e, DEC);

delay(2000);}

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PRIMER PROGRAMAConfiguración del receptor

#include "SX1272.h"#include <SPI.h>

int e; //Declaramos variable enterachar my_packet[100]; //Declaramos matriz para recoger datos

void setup(){Serial.begin(9600);//Abrir puerto seriee = sx1272.ON();//Abrir puerto SPIe = sx1272.setMode(Nº modo);//Configura modo de transmisióne = sx1272.setHeaderON();//Abre modo cabecera ONe = sx1272.setChannel(CH_canal_frec);//Configura canal y frecuenciae = sx1272.setCRC_ON();//Configura detección errorese = sx1272.setPower(‘Letra');//Configura nivel de potenciae = sx1272.setNodeAddress(Nº nodo receptor);//Configura nodo en la redSerial.println(F("SX1272 configuración correcta"));//Imprime configuración correctaSerial.println();

}

PRIMER PROGRAMAConfiguración del receptor

void loop(void){e = sx1272.receivePacketTimeout(10000);//Recibe mensaje antes de 10sgif ( e == 0 ){for (unsigned int i = 0; i < sx1272.packet_received.length; i++){my_packet[i] = (char)sx1272.packet_received.data[i];

}Serial.print(F("Message: "));Serial.println(my_packet);

}else {Serial.print(F("Receive packet, state "));Serial.println(e, DEC);

}}

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PRUEBAS REALIZADASPrueba en Zaragoza

A continuación se muestran los detalles dela prueba realizada en Zaragoza:

Punto A: Antenas de JuslibolPunto B: Centro comercial Augusta

Distancia: 5,65KmDatos recepción señal:

Señal ruido (SNR)= 0dBNivel potencia señal: -116dBNivel potencia paquete recibido: -139Tª del módulo: 18ºCCorriente consumida: 240 mA

PRUEBAS REALIZADASConfiguración módulos LoRa

A continuación se muestra la configuración de los módulos utilizados:

- Modo de transmisión: 1- Ancho de banda= 125 KHz- Tasa de codificación (CR)= 4/5 (Se envía la información de 4 bits

empaquetada con 5 bits)- Factor de dispersión (SF)= 12 (Cuanto mayor mas capacidad para alejarse de

señal de ruido)

- Canales y frecuencias:- Canal 12 en la frecuencia 868MHz.

- Nodo transmisor= 2 (Es el número de nodo asignado para el módulo transmisor)- Nodo receptor= 8 (Es el número de nodo asignado para el módulo receptor)

- Nivel de potencia= M (Máxima potencia lo que equivale a 14dBm)

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MODULOS DE RF LORA