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講師:
MakerPRO技術顧問 柯大
E-mail :kochingchang@gmail.com
手機: 0928226125
LPWAN技術現況與應用實務
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Summary of Unlicensed non-3GPP LPWA IoT Networks
Source: Bryon Moyer, “Low Power, Wide Area A Survey of Longer-Range IoT W...
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IBM 與Semtech 合作推出LRSC(Long Range Signal & Control)
遠距通訊管理與控制軟體平台
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什麼是 LoRaWAN?
LoRaWAN 是眾多 低功率廣域網路 (LPWAN, Low Power Wide Area
Network) 規範的其中一種,它的訴求是能夠讓 以電池供電的裝
置 可以部署在較廣域的網路中 (原文是 regi...
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Class A
可雙向通訊的終端裝置 (bi-directional end-devices)
每個裝置的 uplink transmission 之後接有兩個短暫的 downlink
receive windows
用於需要以最低功耗操...
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Class C
必須至少有 A 類的功能
可雙向通訊的終端裝置,盡可能安排最多的 receive slots
C 類的終端裝置是幾乎連續地開著 receive windows,只有在發送
時才會關閉接收視窗
C 類對 server 與終端...
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LoRa 頻段
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Semtech 瑞士商陞特股份有限公司LoRa™
Node
Gateway
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正文GemTek
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MICROCHIP
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Pin 1,白,RST 。
Pin 3,綠,RX。
Pin 4,黃,TX。
Pin 6 紅, 3.3V。
Pin 7 黑,GND
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自組LoRa Network
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Arduino shield LoRa 模組
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MOSTLink LoRaWAN Start KiT
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Category S76S S78S CW1276SL-915 CW1278SL-470
Chipset SX1276 + STM32L073x(M0) SX1278 + STM32L073x(M0) SX1276
(No MCU)
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Category AI1276-071H AI1276-401H AI1278-071H AI1278-401H
Chipset SX1276 +
STM32F071CB(M0)
SX1276 + STM32F401CB(M4) SX12...
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專為Maker及開發者提供各種不同需求的開發模組EVK
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Mini-LoRa + MiniAirBox By KDA Group ®
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1.模組介面:標準SPI
2.採用Semtech SX1276 LoRa 晶片,相容多數SPI介面
LoRa模組(群登CW1276SL‐915、Dragino LoRa Shield...)
3.調變方式:FSK, GFSK, MSK, ...
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LoRa Node + LoRa Gateway
LoRa Node LoRa Gateway
Internet
Sensor
MQTT
NAS Server
Master
Slave
Internet
IoT Cloud
SPI
UAR...
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測試2: LoRa Node + LoRa Gateway
LoRa Node LoRa Gateway
LoRa Node
Internet
Sensor
MQTT
NAS Server
Master
Slave
Slave
UART
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LoRa 應用於智慧電表用電記錄案例
LoRa Node LoRa Gateway
LoRa Node
Internet
智慧電表
MQTT
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用電資訊資料庫遠端監監控
Arduino MCU
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What is Sigfox?
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物聯網通訊
技術
降低資料
採集的成
本與門檻
長距離、超
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破壞式創新
的新商業模式
關於Sigfox
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300MRaised so far
From 22
investors
 法國新創企業,成立於2009年,總部位於法國南部Toulouse市(IoT
Valley)
 發明Sigfox通訊技術,提供Sigfox全球網...
Sigfox是專為物聯網而生的通訊技術
 一個全新的超窄頻通訊技術
 提供低耗電、長距離的傳輸
 公網而非私網的運作方式
 新型態的營運商模式,收取最
低每年$1美元的裝置通訊費
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全世界都是網內 的物聯網通訊服務
• 佈建全球相通的Sigfox網路 One Globe, One Network
• 建立完整Sigfox生態系統,晶片、模組、產品、平台、軟體廠商
紛紛加入
• 台灣發達的ICT產業,將是Sigfox生態鏈中...
One World, One network
Covered countries
On going country deployment
France
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Luxembourg
Portugal
Spain
The
Netherla...
SIGFOX Operators
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SIGFOX 技術介紹
• 使用免執照頻段 920~925 MHz (交通部於2/22日開放)
• 上傳 12 Bytes 、下載 8 Bytes
• 超窄頻寬傳輸技術 UNB
• 總頻段寬: 200,000 Hz
• 每則訊息寬度: 600 ...
SIGFOX 技術特性
【1】低 (RF) 功率
【2】低功耗 & 省電
【3】不須配對,No ACK, 沒有與特定或任何一個基地站”連線“
【4】可承受鄰頻的強大干擾: 60dB
【5】低傳輸速率 (600 bits/second)
【6】 ...
SIGFOX 技術特性
Amplitude
(振幅)
Time
Freq.
②
Frequency
Diversity
①Time Diversity
③ Space
Diversity
【7】 時間 / 頻率 / 空間-變化,確保傳輸成功率
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SIGFOX 服務架構圖
裝置
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Sigfox網路
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SIGFOX 硬體架構圖
裝置
熱點 Sigfox雲 平台
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SIGFOX 網路架構圖
參考價格
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(uplink, downlink)
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Platinum (140,4)
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USD
Gold (100,2)
Silver (50, 1)
One ...
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最低至
$1/年
全球網路:60國 by 2018 傳輸距離:市區5km
極易安裝:無需配對 電池壽命: 3年
*因電池與應用而改變
SIGFOX 核心競爭力
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SIGFOX 應用領域
家畜管理Livestock
Management
for Agriculture & Environment
工廠安全Facilities
Securing
for Industry
水表Water
Metering
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使用 SigFox 三大要件
使用 SigFox-Ready 的硬體 (傳輸模組)
跟 SigFox 註冊 (SigFox 基地台只會收有註冊的裝
置的訊息)
在 SigFox 網路涵蓋的範圍內
SigFox 提供的取得資料功能:
透過 ...
Arduino Shield with a Sigfox transceiver module that is compatible
with Arduino Uno and other Arduino-based boards.
Uses t...
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AT Command
• AT: Wake the module up, it should return OK.
• AT$I=10 to get ID
• AT$I=11 to get factory PAC. After regis...
系統架構
• 終端裝置 – 發送Sigfox訊息
• Sigfox熱點接收訊息並送至Sigfox後台
• Sigfox後台– 轉送至企業後台與儲存訊息
• 企業後台 – 建立專為其客戶開發的服務
沒有閘道器(Gateway)的設計,可減少開發的...
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SigFox 架構圖
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聯發科推NB-IoT系統單晶片MT2625 2017年06月29日14:25
高整合、低功耗、支持 3GPP R14 的 NB-IoT 晶片平台,適合廣泛的家庭、
城市、工業或行動應用
聯發科(2454)宣布推出旗下首款NB-IoT(窄頻物聯網...
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NB-IOT採用的是運營商統一部署覆蓋全國的網絡進
行收費運營的方式,而LoRa可以讓企業搭建屬於自
己的網絡實現業務運營。雖然NB-IoT受到了運營商
的強力支持,不過並不代表LoRa就會被輕易取代。
「LoRa相對NB-IoT的好處是...
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NB-IoT LoRa
技術特點 蜂窩 線性擴頻
網絡部署
與現有蜂窩基站復
用
獨立建網
頻段 運營商頻段 150 MHz 到 1 GHz
傳輸距離 遠距離 遠距離(1-20km)
速率 <100kbps 0.3-50kbps
連接數量...
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[智慧創新應用自造松]LPWAN]技術現況與應用實務
[智慧創新應用自造松]LPWAN]技術現況與應用實務
[智慧創新應用自造松]LPWAN]技術現況與應用實務
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[智慧創新應用自造松]LPWAN]技術現況與應用實務

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期:20170701
活動:2017智慧創新應用自造松
分享者:MakerPRO技術顧問柯大
主題:LPWAN技術現況與應用實務

Published in: Technology
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[智慧創新應用自造松]LPWAN]技術現況與應用實務

  1. 1. 1 講師: MakerPRO技術顧問 柯大 E-mail :kochingchang@gmail.com 手機: 0928226125 LPWAN技術現況與應用實務
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  14. 14. Summary of Unlicensed non-3GPP LPWA IoT Networks Source: Bryon Moyer, “Low Power, Wide Area A Survey of Longer-Range IoT Wireless Protocols,” Electronic Engineering Journal, Sept. 2015. http://www.eejournal.com/archives/articles/20150907-lpwa/ 14
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  18. 18. 19 IBM 與Semtech 合作推出LRSC(Long Range Signal & Control) 遠距通訊管理與控制軟體平台
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  23. 23. 25 什麼是 LoRaWAN? LoRaWAN 是眾多 低功率廣域網路 (LPWAN, Low Power Wide Area Network) 規範的其中一種,它的訴求是能夠讓 以電池供電的裝 置 可以部署在較廣域的網路中 (原文是 regional, national or global)。 因此,注重的點是「遠距離、低耗電」。 LoRaWAN 網路架構的特點 採用星狀拓樸 (star topology), 終端點的通訊是雙向的 (bi-directional) LoRaWAN 資料率可以從 0.3 kbps 到 50 kbps LoRa三種終端裝置的 Class LoRaWAN 將終端裝置 (end-point devices) 區分為 A, B, C 三類 (classes),各自能適用遠距通訊的不同需求 (有些要求很省電、 有些需要很即時)。這裡先說明一下 uplink 與 downlink 的意思: uplink transmission (上行傳輸):終端裝置傳給伺服器 downlink transmission (下行傳輸):伺服器傳給終端裝置
  24. 24. 26 Class A 可雙向通訊的終端裝置 (bi-directional end-devices) 每個裝置的 uplink transmission 之後接有兩個短暫的 downlink receive windows 用於需要以最低功耗操作的終端裝置。這種裝置常常在它送出 uplink 之後,只需要與 server 端進行很短暫的 downlink 通訊 (例 如只收個 ACK 而已) 在任何其他時間,從 server downlink 必須等到下一次的 scheduled uplink (所以通訊沒辦法很即時,例如下一次的 scheduled uplink 可能是在 128 秒之後) Class B 必須至少有 A 類的功能 可雙向通訊的終端裝置,但有 scheduled receive slots (有固定接 收時槽接收 server 過來的訊息,相較於 A 類會更即時一點) 相較於 A 類的隨機 receive windows,Class B 的裝置會在排程的 時間打開一個額外的接收窗。為了讓終端裝置在排程時間打開 它的 receive window,它需要從 gateway 接收一個用於時間同步 的 Beacon (如此一來,server 就能知道終端裝置何時在 listening)
  25. 25. 27 Class C 必須至少有 A 類的功能 可雙向通訊的終端裝置,盡可能安排最多的 receive slots C 類的終端裝置是幾乎連續地開著 receive windows,只有在發送 時才會關閉接收視窗 C 類對 server 與終端裝置通訊帶來最低的延遲 (latency),所以即 時性最好,但消耗功率最高 資料傳輸率與通訊距離 LoRa 的資料傳輸率 (data rate)、通訊距離,它的資料傳輸率約莫 在 100 bps ~ 20 kbps 之間,而通訊距離落在 5 公里的範圍內(實際 上也有高達 10 餘公里者)。LoRa 的傳輸率可以自由調整,傳輸率 越低,傳輸的距離可以越遠。
  26. 26. 28 LoRa 頻段
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  28. 28. 30 Semtech 瑞士商陞特股份有限公司LoRa™ Node Gateway
  29. 29. 31 正文GemTek
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  34. 34. MICROCHIP 36 Pin 1,白,RST 。 Pin 3,綠,RX。 Pin 4,黃,TX。 Pin 6 紅, 3.3V。 Pin 7 黑,GND
  35. 35. 37 自組LoRa Network
  36. 36. 38 Arduino shield LoRa 模組
  37. 37. 39
  38. 38. 40
  39. 39. 41
  40. 40. 42 MOSTLink LoRaWAN Start KiT
  41. 41. 44 Category S76S S78S CW1276SL-915 CW1278SL-470 Chipset SX1276 + STM32L073x(M0) SX1278 + STM32L073x(M0) SX1276 (No MCU) SX1278 (No MCU) Modulation FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRa and OOK FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRa and OOK FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRa and OOK FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRa and OOK Output Power +20 dBm (Max) +20 dBm (Max) +20 dBm (Max) +20 dBm (Max) High sensitivity down to -137 dBm down to -137 dBm down to -144 dBm down to -145 dBm Interface I2C/SPI/UART/GPIO I2C/SPI/UART/GPIO SPI SPI Frequency bands 868 MHz or 915 MHz ISM- Bands 433 MHz or 470 MHz ISM- Bands 868 MHz or 915 MHz ISM-Bands 433 MHz or 470 MHz ISM- Bands 群登LoRa晶片組比較表一 (資料來源:群登科技,作圖:MAKERPRO)
  42. 42. 45 Category AI1276-071H AI1276-401H AI1278-071H AI1278-401H Chipset SX1276 + STM32F071CB(M0) SX1276 + STM32F401CB(M4) SX1278 + STM32F071CB(M0) SX1278 + STM32F401CB(M4) Modulation FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRa and OOK FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRa and OOK FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRa and OOK FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRa and OOK Output Power +20 dBm (Max) +20 dBm (Max) +20 dBm (Max) +20 dBm (Max) High sensitivity down to -137 dBm down to -137 dBm down to -138 dBm down to -138 dBm Interface UART, GPIO, ADC, SPI, I2C UART, GPIO, ADC, SPI, I2C UART, GPIO, ADC, SPI, I2C UART, GPIO, ADC, SPI, I2C Frequency bands 137-1020MHz bandwidth : 7.8 KHz to 500KHz 137-1020MHz bandwidth : 7.8 KHz to 500KHz 137-525MHz bandwidth : 7.8 KHz to 500KHz 137-525MHz bandwidth : 7.8 KHz to 500KHz 群登LoRa晶片組比較表二 (資料來源:群登科技,作圖:MAKERPRO)
  43. 43. 46 專為Maker及開發者提供各種不同需求的開發模組EVK
  44. 44. 47
  45. 45. 48 Mini-LoRa + MiniAirBox By KDA Group ®
  46. 46. 49 1.模組介面:標準SPI 2.採用Semtech SX1276 LoRa 晶片,相容多數SPI介面 LoRa模組(群登CW1276SL‐915、Dragino LoRa Shield...) 3.調變方式:FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRa and OOK 4.輸出功率:+20 dBm 5.傳輸感度: 使用高穩定TCXO零件接收靈敏度最低可 達 -148dBm 6.頻段:868 MHz or 915 MHz ISM‐Bands( 可客製化其他 特殊頻率433MHz) 7.搭配 5dBi高感度天線1支 MiniLoRa®模組功能
  47. 47. 50 LoRa Node + LoRa Gateway LoRa Node LoRa Gateway Internet Sensor MQTT NAS Server Master Slave Internet IoT Cloud SPI UART GPIO SPI I2C PWM
  48. 48. 51 測試2: LoRa Node + LoRa Gateway LoRa Node LoRa Gateway LoRa Node Internet Sensor MQTT NAS Server Master Slave Slave UART GPIO UART I2C PWM UART USB/UART
  49. 49. 52 LoRa 應用於智慧電表用電記錄案例 LoRa Node LoRa Gateway LoRa Node Internet 智慧電表 MQTT NAS Server 用電資訊資料庫遠端監監控 Arduino MCU Ameba MCU
  50. 50. 53
  51. 51. 54
  52. 52. 55
  53. 53. 56
  54. 54. 57
  55. 55. What is Sigfox? 58 物聯網通訊 技術 降低資料 採集的成 本與門檻 長距離、超 省電 破壞式創新 的新商業模式
  56. 56. 關於Sigfox 59 300MRaised so far From 22 investors  法國新創企業,成立於2009年,總部位於法國南部Toulouse市(IoT Valley)  發明Sigfox通訊技術,提供Sigfox全球網路服務,成為物聯網網路營 運商  超過350位員工  已募得超過3億歐元的投資額  Vision: Make Things Come Alive
  57. 57. Sigfox是專為物聯網而生的通訊技術  一個全新的超窄頻通訊技術  提供低耗電、長距離的傳輸  公網而非私網的運作方式  新型態的營運商模式,收取最 低每年$1美元的裝置通訊費 60
  58. 58. 全世界都是網內 的物聯網通訊服務 • 佈建全球相通的Sigfox網路 One Globe, One Network • 建立完整Sigfox生態系統,晶片、模組、產品、平台、軟體廠商 紛紛加入 • 台灣發達的ICT產業,將是Sigfox生態鏈中不可或缺的基地 61
  59. 59. One World, One network Covered countries On going country deployment France Ireland Luxembourg Portugal Spain The Netherlands Malta Mauritius Island Mexico New Zealand Singapore Taiwan The Sultanate of Oman The U.K The U.S. (100 cities) South Africa Estonia Slovakia Australia Belgium Brazil Colombia Czech Republic Denmark Finland Germany Italy Japan Argentina Sigfox Global Network 32 COUNTRIES AND 470 MILLION INHABITANTS 62
  60. 60. SIGFOX Operators 63
  61. 61. SIGFOX 技術介紹 • 使用免執照頻段 920~925 MHz (交通部於2/22日開放) • 上傳 12 Bytes 、下載 8 Bytes • 超窄頻寬傳輸技術 UNB • 總頻段寬: 200,000 Hz • 每則訊息寬度: 600 Hz • 可同時連線數量高 • 速度 100 bits/s (12 Bytes/s) • 鄉村: 30-50 KM, 城市: 3-10 KM 64
  62. 62. SIGFOX 技術特性 【1】低 (RF) 功率 【2】低功耗 & 省電 【3】不須配對,No ACK, 沒有與特定或任何一個基地站”連線“ 【4】可承受鄰頻的強大干擾: 60dB 【5】低傳輸速率 (600 bits/second) 【6】 安全性 – 每個訊息都會經過 hash – 每個裝置都會有一個 private key – 因此不會有 replay attack 的問題 65
  63. 63. SIGFOX 技術特性 Amplitude (振幅) Time Freq. ② Frequency Diversity ①Time Diversity ③ Space Diversity 【7】 時間 / 頻率 / 空間-變化,確保傳輸成功率 66
  64. 64. SIGFOX 服務架構圖 裝置 平台 Sigfox網路 服務 67
  65. 65. SIGFOX 硬體架構圖 裝置 熱點 Sigfox雲 平台 68
  66. 66. 69 SIGFOX 網路架構圖
  67. 67. 參考價格 費 率 表 費率表 (uplink, downlink) 數量 <1K 1K~10K 10K~100K 100K~1M Platinum (140,4) $12 USD Gold (100,2) Silver (50, 1) One (2, 0) $1 USD Messages per day Quantity Yearly connection fee per device 70
  68. 68. 71
  69. 69. 最低至 $1/年 全球網路:60國 by 2018 傳輸距離:市區5km 極易安裝:無需配對 電池壽命: 3年 *因電池與應用而改變 SIGFOX 核心競爭力 72
  70. 70. SIGFOX 應用領域 家畜管理Livestock Management for Agriculture & Environment 工廠安全Facilities Securing for Industry 水表Water Metering for Utilities 資產追踪Asset Tracking for Retail Waste Management廢物管理 for Public Sector Elderly Security 老人安全 for Health & Assisted Living Automatic Replenishment 自動補貨 for Home & Lifestyle On-Board Diagnostics Tracking車載診斷跟踪 for Automotive & Fleet Management 73
  71. 71. 74 使用 SigFox 三大要件 使用 SigFox-Ready 的硬體 (傳輸模組) 跟 SigFox 註冊 (SigFox 基地台只會收有註冊的裝 置的訊息) 在 SigFox 網路涵蓋的範圍內 SigFox 提供的取得資料功能: 透過 Web Interface 取得 (http://backend.sigfox.com) 透過 RESTful API 取得相關型態裝置的所有訊息 取得特定裝置的訊息 透過 e-mail
  72. 72. Arduino Shield with a Sigfox transceiver module that is compatible with Arduino Uno and other Arduino-based boards. Uses the Wisol or Radiocrafts module certified for Sigfox Zone 4 (RCZ4 – Australia, Hong Kong, Singapore, New Zealand, South America, Taiwan) UnaShield V2S: Based on Sigfox module by Wisol. Includes onboard sensors for temperature, humidity, air pressure, accelerometer and two Grove ports. UnaShield V1: Based on Sigfox module by Radiocrafts. Documentation, sample code and sale of UnaShield: https://github.com/UnaBiz/unabiz- arduino/wiki/UnaShield 75
  73. 73. 76 AT Command • AT: Wake the module up, it should return OK. • AT$I=10 to get ID • AT$I=11 to get factory PAC. After register, the PAC is changed. • AT$P=0 Software reset • AT$GI? to get the information on current and next macro channel usage in FCC. • AT$RC to reset the device on the default SIGFOX macro channel (don't use with a duty cycle less than 20 seconds) • AT$SF=XXX…XX 12bytes HEX (00~ff) content to send
  74. 74. 系統架構 • 終端裝置 – 發送Sigfox訊息 • Sigfox熱點接收訊息並送至Sigfox後台 • Sigfox後台– 轉送至企業後台與儲存訊息 • 企業後台 – 建立專為其客戶開發的服務 沒有閘道器(Gateway)的設計,可減少開發的成本
  75. 75. 78 SigFox 架構圖
  76. 76. 79
  77. 77. 80
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  82. 82. 聯發科推NB-IoT系統單晶片MT2625 2017年06月29日14:25 高整合、低功耗、支持 3GPP R14 的 NB-IoT 晶片平台,適合廣泛的家庭、 城市、工業或行動應用 聯發科(2454)宣布推出旗下首款NB-IoT(窄頻物聯網)系統單晶片 (SoC) MT2625,並攜手中國移動打造業界尺寸最小 (16mm X 18mm) 的NB-IoT通用模組,以超高整合度為未來海量的物聯網裝置,提供兼具 低功耗及成本效益的解決方案。MT2625晶片支援國際標準3GPP NB-IoT (R13 NB1、R14 NB2)的450MHz至2.1GHz全頻段運作,適合於全球各地部 署的智慧家居、物流跟蹤、智慧抄表等靜態或行動型的物聯網應用。 MT2625預計於今年第3季進入商用化 MT2625是聯發科精心打造的第一款NB-IoT專用晶片,具備超高整合度, 將ARM Cortex M微控制器(MCU)、虛擬靜態隨機存取記憶體 (PSRAM)、快閃記憶體與電源管理單元(PMU)整合在同一晶片平台 上。高整合度不僅帶來了更小巧的封裝尺寸,而且有助於降低晶片成本, 並加快上市時間,滿足對成本敏感及小體積的物聯網設備的需求。 聯發科持續投入對NB-IoT技術的研發,全球全模規格滿足全球市場需求。 除了高整合度、低功耗外,聯發科技NB-IoT晶片也配置長期研發所累積 的各種領先連網技術,提供完整的物聯網軟、硬體開發平台,讓不同規 模的製造商都能迅速開發出多樣化的NB-IoT終端產品,加速推動NB-IoT產 業發展。 http://www.appledaily.com.tw/realtimenews/article/finance/20170629/1150 592/papersec_right 85
  83. 83. 86 NB-IOT採用的是運營商統一部署覆蓋全國的網絡進 行收費運營的方式,而LoRa可以讓企業搭建屬於自 己的網絡實現業務運營。雖然NB-IoT受到了運營商 的強力支持,不過並不代表LoRa就會被輕易取代。 「LoRa相對NB-IoT的好處是已經有成熟的商用,而 NB-IoT才剛剛開始。LoRa和NB-IoT的應用可能會有 很多重疊,不過NB-IoT是由運營商來主導,要用到 運營商的網絡,因此數據是先上到運營商那裡,許 多企業或許不願意把自己的數據給到別人,所以這 些企業寧願部署自己的私有物聯網絡,這時候用 LoRa就很合適。」 NB-IoT與LoRa比較
  84. 84. 87 NB-IoT LoRa 技術特點 蜂窩 線性擴頻 網絡部署 與現有蜂窩基站復 用 獨立建網 頻段 運營商頻段 150 MHz 到 1 GHz 傳輸距離 遠距離 遠距離(1-20km) 速率 <100kbps 0.3-50kbps 連接數量 200k/cell 200k-300k/hub 終端電池工作時間 約10年 約10年 成本 模塊5-10$ 模塊約5$ NB-IoT與LoRa技術參數對比
  85. 85. 88

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