LoRa Technology


Posted 30 Jun 2020 08:44 | 330 views

LoRa หมายถึง โปรโตคอลการเชื่อมต่อเฉพาะในส่วนของ Link ในขณะที่ LoRaWAN จะหมายถึง การเชื่อมต่อในสักษณะของการเป็นโครงข่าย LoRa ถือเป็นเทคโนโลยีหนึ่งที่เหมาะสำหรับการใช้งาน IOT เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีการสื่อสารแบบไร้สาย ซึ่งมีจุดเด่นการสื่อสารได้ระยะทางไกล แต่ใช้พลังงานต่ำ ราคาประหยัด ถ้าเปรียบเทียบระยะการเชื่อมต่อจากที่เคยคุ้นเคยกัน และมีการใช้งานแพร่หลายในปัจจุบัน

          Internet of Thing (IoT) ถือเป็นส่วนหนึ่งในการส่งเสริมภาคอุตสาหกรรม ภาคเกษตรกรรม โดยอาศัยการเชื่อมต่อสื่อสารและการทำงานร่วมกันระหว่างเครื่องจักร (Machine) มนุษย์ (Human) และข้อมูล (Data) เพื่อให้กระบวนการผลิตมีประสิทธิภาพ และต้องการลดความผิดพลาดให้น้อยที่สุด เราจึงต้องสร้างระบบสื่อสารเพื่อส่งข้อมูลจากเครื่องจักรมาวิเคราะห์ถึงสถานะการผลิต จำนวนชิ้นงานที่ผลิตได้ รวมถึงสถานะความผิดพลาดของเครื่องจักร ซึ่งวิธีการที่นิยมมากที่สุดคือ การใช้อุปกรณ์  Smart Device ที่มีความสามารถในการเชื่อมต่อกับเครื่องจักรและดึงข้อมูลที่ได้ส่งผ่านระบบไร้สายไปยังเครื่องแม่ข่าย (Server) ซึ่งเทคโนโลยีการสื่อสารไร้สาย Wifi ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย แต่ก็ยังมีขีดจำกัดเรื่องของระยะทางและไวต่อสัญญาณรบกวน จึงเป็นเหตุผลที่ทำให้มนุษย์คิดค้นและหาวิธีสื่อสารรูปแบบใหม่ๆ หนึ่งในวิธีการสื่อสารที่กำลังได้รับความนิยมเป็นอย่างมากคือ เทคโนโลยีสัญญาณการสื่อสาร LoRa ซึ่งถูกคิดค้นและเป็นลิขสิทธิ์ของบริษัท Semtech  หากเปรียบเทียบเทคโนโลยี WiFi ,Bluetooth และ LoRa สิ่งที่แตกต่างกันชัดเจนมากคือเรื่องของระยะทางในการสื่อสาร  [1]

1. LoRa คืออะไร
          LoRa ย่อมาจากคำว่า Long Range ถือเป็นเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่เพื่อรองรับการสื่อสารในช่วงคลื่นความถี่ไม่เกิน 1 GHz ถูกพัฒนาขึ้นครั้งแรกในปี 1940 เพื่อใช้ในการทหาร เนื่องจากรับส่งข้อมูลได้ในระยะไกล และป้องกันสัญญาณรบกวนได้ดี (Interference Robustness) จึงมีการริเริ่มนำเทคโนโลยี LoRa มาประยุกต์ใช้ในระบบ Iot เพิ่มมากขึ้น 

องค์ประกอบสำคัญของเทคโนโลยีระบบสื่อสารแบบ LoRa มีดังต่อไปนี้

  • สื่อสารทางไกลระยะ 15 – 20 กิโลเมตร
  • มีช่องรับสัญญาณนับล้าน
  • มีอายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนาน มากถึง 10 ปี

     โซนหรือประเทศ   

ช่วงความถี่ที่ใช้งานได้

ไทย

920 – 925 MHz

ยุโรป

867 – 869 MHz

อเมริกาเหนือ

902 – 928 MHz

จีน

470 – 510 MHz

เกาหลี

920 – 925 MHz

ญี่ปุ่น

920 – 925 MHz

อินเดีย

865 – 870 MHz

ตารางที่ 1 ช่วงความถี่ LoRa ที่ใช้งานในแต่ล่ะประเทศ

        การนำเทคโนโลยี LoRa มาใช้งานจำเป็นต้องคำนึงถึงเขตโซนหรือประเทศ เนื่องจากมีข้อกำหนดให้แต่ละประเทศสามารถใช้งานอุปกรณ์ LoRa ตามความถี่ที่ได้ระบุไว้ ดังแสดงในตารางที่1 สำหรับประเทศไทยถูกระบุไว้ที่ความถี่ช่วง 920 – 925 MHz ซึ่งถือเป็นความถี่ที่ไม่ต้องมีใบอนุญาต (unlicensed) โดยมีกำลังส่ง (EIRP) ไม่เกิน 20  dBm (น้อยกว่าหรือเท่ากับ 100 มิลลิวัตต์)

 

2. ส่วนประกอบของ LoRa Protocol Stack 

        โปรโตคอล LoRa แบ่ง layer ออกได้เป็น 2 layer หลัก ได้แก่ ส่วนของ Physical layer(PHY) และ MAC layer การสื่อสารใน physical layer (PHY) [2] ของLora รองรับการส่งระยะไกล ใช้พลังงานต่ำ โดยสามารถส่งข้อมูลที่ความเร็วสูงสุดที่ 50 Kbps เพื่อการใช้งานที่เหมาะสม เราสามารถปรับพารามิเตอร์ในส่วนของ physical layer เพื่อให้ได้อัตราเร็วของการส่งข้อมูล (Data Rate) และค่าความไวต่อการรับสัญญาณให้เหมาะสมด้วยการปรับค่าแบนวิดท์ (BW), สเปรดแฟกเตอร์ (Spreading Factor : SF)[SF] 

        โดยค่า Spreading Factor สามารถตั้งค่าได้ตั้งแต่ SF7-SF12 ซึ่งหากเราต้องการใช้งานด้วย Bandwidth ที่สูงจะต้องตั้งค่าเป็น SF7  ซึ่งจะทำให้ระยะทางของการส่งข้อมูลต่ำ แต่อัตราการส่งข้อมูลสูง (Bit rate) แต่ถ้าเราต้องการให้การส่งข้อมูลได้ระยะทางที่ไกลก็จะต้องตั้งค่าเป็น SF12 ซึ่งจะส่งผลต่ออัตราการส่งข้อมูลน้อยที่สุด แต่ได้ระยะทางไกลที่สุด โดยการตั้งค่าพารามิเตอร์ขึ้นอยู่กับความต้องการของผู้ออกแบบระบบ

 

3. องค์ประกอบของ LoRaWAN เน็ตเวอร์ก[5]
          LoRaWAN ประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก ได้แก่ อุปกรณ์ (End-devices) , เกตเวย์ (Gateway) และเน็ตเวิร์คเซิร์ฟเวอร์ (Network Server)
  • อุปกรณ์ (End-device) เป็นอุปกรณ์พลังงานต่ำที่สื่อสารไปยังเกตเวย์ โดยไม่เจาะจงเกตเวย์ใดเกตเวย์หนึ่งโดยเฉพาะ (กรณีเกตเวย์มีมากกว่า 1 ตัว)
  • เกตเวย์ (Gateway) ทำหน้าที่รับแพ็กเก็ตจากอุปกรณ์ LoRa (End-devices) เพื่อส่งต่อไปยัง (Network Server)
  • เน็ตเวิร์คเซิร์ฟเวอร์ (Network Server) ทำหน้าที่กำจัดแพ็กเก็ตที่ซ้ำและส่งแพ็กเก็ตกลับไปยังอุปกรณ์ปลายทางเพื่อรองรับการใช้งานที่แตกต่างกัน
อุปกรณ์ใน LoRaWAN แบ่งออกเป็น 3 คลาส[6] ได้แก่ class A, class B, class C โดยในแต่ละคลาสจะมีลักษณะการทำงานที่แตกต่างกัน ดังนี้

        Class A จะเป็นการสื่อสารแบบสองทาง (Bi-directional) โดยการสื่อสาร uplink ในแต่ละครั้ง จะตามด้วยการสื่อสาร downlink ในช่วงเวลาสั้นๆอีก 2 ครั้ง การสื่อสาร downlink ในรอบถัดไปต้องรอ uplink ทำงานอีกครั้ง ซึ่งทำให้การทำงานของ Class A ใช้พลังงานในการทำงานน้อยที่สุด 

        Class B เป็นการสื่อสารแบบสองทาง (Bi-directional) พร้อมการใช้ (Beacon) จากเกตเวย์เพื่อให้ Network server ทราบว่าเวลาใดที่อุปกรณ์ End-Device พร้อมที่จะรับข้อมูล ซึ่งอุปกรณ์ End-device จะเปิดช่วงเวลาของการรับข้อมูล (Receive Window) ตามเวลาที่กำหนด 

        Class C เป็นการสื่อสารแบบสองทาง (Bi-directional) จะใช้วิธีกำหนดช่วงเวลารับข้อมูลแบบต่อเนื่อง (Continuous) ทำให้อุปกรณ์ปลายทาง End-device อยู่ในสภาวะทำงานอยู่ตลอดเวลา จึงทำให้ใช้พลังงานมากที่สุด

        เทคโนโลยีการสื่อสารแบบ LoRa ถือเป็นเทคโนโลยีทางด้าน IoT ที่สามารถรับและส่งข้อมูลได้ระยะไกลและใช้พลังงานต่ำ อีกทั้งยังสามารถทนต่อการรบกวนจากสัญญาณภายนอกได้ดี แต่การจะนำเทคโนโลยี LoRa มาใช้งานนั้นจำเป็นต้องพิจารณาถึง ความถี่ของสัญญาณ ซึ่งในไทยจะใช้ 920-925 MHz และควรมีกำลังส่งที่ต่ำกว่า 100 mW เพื่อให้รองรับกับมาตรฐานที่ กสทช ได้กำหนดไว้ การรับส่งข้อมูลผ่าน LoRaWan จะมีอยู่ 3 คลาส คือ A,B และ C หากต้องการให้อุปกรณ์รับส่งข้อมูลแล้วใช้พลังงานต่ำควรเลือกใช้ Class A แต่ถ้าต้องการความต่อเนื่องของข้อมูลควรเลือกใช้เป็น Class C ซึ่งกินพลังงานมากที่สุดเมื่อเทียบกับ Class A และ Class B และสุดท้ายแล้วการจะนำเทคโนโลยี LoRa ไปประยุกต์ใช้งาน ผู้ใช้จำเป็นต้องรู้หลักการทำงานของ LoRa เป็นอย่างดีเพื่อเป็นแนวทางในการเลือกใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสมกับการประยุกต์ใช้งาน

 

Facebook Fan page: https://www.facebook.com/thairoboticsclub/
Youtube      : Mostori Solutions
Line Official : Mostori Solutions 

อ้างอิงจาก
[1] https://randomnerdtutorials.com/esp32-lora-rfm95-transceiver-arduino-ide/
[2] https://lora-developers.semtech.com/library/tech-papers-and-guides/lora-and-lorawan/
[3] https://www.thethingsnetwork.org/community/cardiff/post/spreading-factor

[4] https://medium.com/deaware/lora-lorawan
[5] ผศ.ดร. ชัชชัย คุณบัว.  (2562). สถาปัตยกรรมการสื่อสาร Internet of Things. 222
[6] https://www.electoday.com/index.php?topic=16159.0

 

 

sex shop sex shop sex shop sex shop sex shop sex shop sex shop