Modul 11 LoRa & Firebase

I. Tujuan Praktikum 1. Praktikan dapat memahami tentang LoRa ,Semtech SX127x,ESP32 dan ESP8266 2. Praktikan dapat memahami dan menggunakan transmisi LoRa di frekuensi ISM 3. Praktikan mampu menggunakan LoRa dengan builtin OLED Display 4. Praktikan mampu mentransmisikan data antar LoRa dan upload ke Firebase melalui

WiFi

II. Alat dan bahan

1. 2 buah TTGO LORA SX1278 ESP32 0.96 OLED 433Mhz Bluetooth WIFI 2. Kabel mini USB 3. Laptop dengan Arduino IDE yang telah terinstall dan Akun Google untuk Firebase

III. Teori

LoRa Sebagai Platform LPWAN (Low Power Wide Area Network) Low Power Wide Area Network adalah tipe WAN yang didesain untuk komunikasi data

nirkabel jarak jauh dengan rentang bitrate 0.3 kbit/s to 50 kbit/s per kanal. Vendor dan pengembang standar LPWAN dapat dibedakan berdasarkan platform dan teknologi berikut:

● Chirp spread spectrum (CSS) Suatu teknologi modulasi chirp spread spectrum pada frekuensi radio Contohnya : - LoRa oleh pengembang LoRaWAN,Haystack Tech., Symphony Link, Semtech

● Ultra-narrow band (UNB) Suatu teknologi modulasi yang dikhususkan untuk frekuensi spesifik Contohnya : - Sigfox oleh Sigfox Tech.

- Nwave oleh perusahaan Nwave yang bekerjasama dengan MIT - Weightless standards oleh Weightless SIG - NB-Fi Protocol oleh WAVIoT - Telensa oleh Telensa Company, NB-Fi Protocol oleh WAVIoT

● Lain-lain - DASH7 oleh Haystack (bekerja di banyak standar wireless) - LTE-MTC oleh 3GPP - MySensor oleh open source community DIY Home Automation - NarrowBand IoT oleh 3GPP yang berdasarkan Huawei NB-CIoT - RPMA oleh Ingenu - Taggle Byron berupa teknologi DSSS oleh perusahaan Taggle Systems

LoRa

LoRa singkatan dari Long Range, berupa teknologi komunikasi data wireless yang dikembangkan oleh Cycleo di Grenoble Perancis dan lisensi chipset LoRa bersifat proprietary dipatenkan oleh Semtech tahun 2012. Walaupun bersifat proprietary, implementasi teknologi, aplikasi, dan jaringan dibuka ke anggota aliansi LoRa untuk dapat dikembangkan sesuai kebutuhan.

LoRa menggunakan license-free sub-gigahertz pita ISM. Standar pita frekuensi radio yang digunakan diantaranya 169 MHz, 433 MHz (Asia), 868 MHz (Europe) and 915 MHz (North America).

LoRa memungkinkan untuk konektivitas perangkat IoT jarak jauh, rural, offshore dengan harga terjangkau dengan konsumsi daya rendah.

Gambar 1. Logo Semtech LoRa

.Point-point penting

- Mencapai 10-30 km dengan kondisi LOS , bahkan 100 km dengan modifikasi antenna - Sensitivitas link budget mencapai -137dBm hingga 157 dB - Menggunakan range frekuensi ISM 137 MHz hingga 1020 MHz yaitu 169 MHz, 433 MHz

(Asia), 868 MHz (Europe) and 915 MHz (North America) - Penyedia chip Semtech menggunakan proprietary modulation - Data rate mencapai rentang kilobit per detik , sekitar up to 11 kbit/s - Data rate sesuai untuk pengapikasian komunikasi , P2P, IoT dan M2M(machine to machine)

namun tidak sesuai untuk video streaming, - Dapat dikategorikan sebagai CDMA, me-multiplex sinyal dengan code dalam satu frekuensi - Low power consumption - Perangkat dengan kondisi link quality buruk dapat meningkatkan link budget dengan data

rate yang rendah dan mampu mencapai 30 km di LOS. - Teknologi LoRa oleh Semtech berada di layer physical pada OSI Model

Gambar 2. Point point penting

Contoh pengaplikasian, dua buah LoRa yang terhubung masing masing ke ESP32 (Wi-Fi Bluetooth). Ini bermanfaat untuk data exchange antar ESP32 jarak jauh dan bilamana salah satu ESP32 berada di luar coverage Wi-Fi.

Gambar 3. Ilustrasi pengalikasian LoRa

Semtech SX127x

Gambar 5. Chip Semtech SX1278

Chipset SX1276/77/78/79 transceiver berupa LoRa™ modem yang memiliki fitur komunikasi ultra-long range spread spectrum dan kebal terhadap interferensi tinggi sementara juga menggunakan konsumsi daya rendah.

Fitur

● +14 dBm high efficiency PA ● 127dB Dynamic Range RSSI ● 168dB maximum link budget ● High sensitivity: down to -148dBm ● Bullet-proof front end: IIP3 = -11dBm

● Programmable bit rate up to 300kbps

● Packet engine up to 256 bytes with CRC

● Built-in bit synchronizer for clock recovery

● Automatic RF Sense and CAD with

ultra-fast AFC

● Fully integrated synthesizer dengan

resolusi 61Hz

● +20dBm - 100mW constant RF output vs.

V supply ● Low RX current of 9.9mA, 200nA register

retention ● Built-in temperature sensor dan low

battery indicator ● Mendukung modulasi FSK, GFSK, MSK,

GMSK, LoRa dan OOK

Pengaplikasian

● Automated Meter Reading ● Home and Building Automation ● Wireless Alarm and Security Systems ● Industrial Monitoring and Control ● Long range Irrigation Systems

Packaging

● Menggunakan standar packaging QFN 28

Detail Datasheet SX1276/77/78/79 https://www.semtech.com/uploads/documents/DS_SX1276-7-8-9_W_APP_V5.pdf

Tabel 1. Perbandingan Spesifikasi SX1276/77/78/79 Berdasarkan Datasheet

ESP32

Gambar 7. ESP32 Chip on A Development Board

ESP32 adalah penerus dari ESP8266. ESP32 berupa sistem dalam sebuah chip microcontroller gabungan dari Wi-Fi dan dual-mode Bluetooth yang low-cost dan low-power dibuat dan dikembangkan oleh Espressif System yang berada di Shanghai, China dan diproduksi oleh TMSC. ESP32 menggunakan Tensilica Xtensa LX6 microprocessor serta mencakup built in antenna switches, RF balun, power amplifier, low-noise receive amplifier, filters, and power-management modules.

Fitur dan spesifikasi

● Processors: CPU: Xtensa dual-core (or single-core) 32-bit LX6 microprocessor, operating at 160 or 240 MHz and performing at up to 600 DMIPS Ultra low power (ULP) co-processor

● Memory: 520 KiB SRAM ● Wireless connectivity:

Wi-Fi: 802.11 b/g/n Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE

● Peripheral interfaces: 4 × SPI 3 × UART CAN bus 2.0 Motor PWM 2 × 8-bit DACs 2 × I²S interface 2 × I²C interface Hall effect sensor Temperature sensor SDIO/SPI slave controller LED PWM (up to 16 channels)

12-bit SAR ADC up to 18 channels Ultra low power analog pre-amplifier 10 × touch sensors (capacitive sensing GPIOs),SD/SDIO/CE-ATA/MMC/eMMC host controller, Infrared remote controller (TX/RX, up to 8 channels), Ethernet MAC interface with dedicated DMA and IEEE 1588 Precision Time Protocol suppor

Fitur security meliputi IEEE 802.11 standard security features all supported, including WFA, WPA/WPA2 and WAPI, Secure boot, Flash encryption, 1024-bit OTP, up to 768-bit for customers Cryptographic hardware acceleration: AES, SHA-2, RSA, elliptic curve cryptography (ECC), random number generator (RNG)

Fitur Power management meliputi Internal low-dropout regulator, Individual power domain for RTC, 5uA deep sleep current, Wake up from GPIO interrupt, timer, ADC measurements,

capacitive touch sensor interrupt. Berikut gambar blok diagram fungsionalitas ESP32 beserta fitur-fiturnya .

Gambar 8. Blok Diagram Fungsionalitas ESP32 Wi-Fi & Bluetooth

LoRa Board

LoRa board memiliki banyak variasi board dengan spesifikasi dan fitur berbeda yang tersedia dipasaran, diantaranya:

● Berdasarkan modul Modul LoRa meliputi komponen dasar dan tambahan agar chip berjalan contoh :

ESP-WROOM-32 ESP32 module, SX1276 and RFM95 LoRa modules. ● Berdasarkan development board

Development boards memiliki banyak perubahan dan tambahan fungsionalitas seperti power converter, switch push button dan LED . Development boards biasa menggunakan modul standar yang ada di pasaran ataupun komponen terpisah contoh: ESP32 Dev board, Lolin32, NodeMCU-32S dan HopeRF RFM95 adapter.

● Berdasarkan board yang telah dikostumisasi (custom board) Custom boards LoRa biasa menggabungkan komponen tambahan dan fungsionalitas

yang terintegrasi Contohnya: Heltec Wifi LoRa 32 and TTGO LoRa32.

Pada praktikum kali ini board LoRa yang digunakan adalah TTGO LoRa SX1278 ESP32 0.96 OLED 433MHz Bluetooth WIFI atau bisa disebut juga TTGO LoRa32 V1, merupakan board LoRa buatan vendor TTGO yang telah terintegrasi chip microcontroller ESP32, SX127x, OLED, antenna 433,868,915 MHz(ISM band) dan LoRaWAN protocols.

Gambar 9. TTGO LoRa ESP32 tampak atas Gambar 10. TTGO LoRa ESP32 tampak bawah

Gambar 11. Antenna LoRa Gambar 12. Baterai Lithium

Spesifikasi dan fitur TTGO LoRa ESP32 diantaranya: ● Wi-Fi dan bluetooth antenna ● 0.96 inch blue OLED display ● Battery manajemen berupa unit lithium battery charging ● CP2102 interface and USB serial chip ● Tegangan kerja: 3.3V hingga 7V ● Temperatur kerja: -40 derajat Celcius hingga +90 derajat Celcius ● Mode yang disupport Sniffer, Station, softAP, and Wi-Fi Direct modes ● Data rates: 150Mbps@11n, 72 Mbps@11n, 54Mbps@11g, 11 Mbps@11b ● Transmit power: 19.5 dBm@11b, 16.5 dBm@11g, 15.5 dBm@11n ● Receiver sensitivity up to -98 dBm ● UDP mencapai throughput 135 Mbps ● ESP32 microcontroller dan SX127x / RFM9x LoRa transceivers

Hal yang perlu diperhatikan sebelum menggunakan LoRa sebagai berikut:

● Penggunaan antenna 433Mhz pastikan terpasang sebelum digunakan (bisa merusak chip LoRa)

● Penggunaan baterai pastikan kaki positif dan negatif tidak tertukar, bila tertukar bisa merusak board

● Penggunaan catu daya dengan tegangan 3 hingga 7 Volt

IV. Langkah Praktikum Prerequisite Board dan Library tambahan yang perlu di install untuk praktikum Modul LoRa dan Firebase sebagai berikut:

1. File→Preference→Additional board manager → Masukan url: https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_dev_index.json → OK

2. Tools→ board→board manager→esp32 → install versi 1.00 → tunggu hingga download dan install selesai → pastikan esp32 selesai dengan status INSTALLED

3. Download library dari https://github.com/ioxhop/IOXhop_FirebaseESP32 Setelah itu tambahkan sketch library : Sketch →include library→add zip library→cari file IOXhop_FirebaseESP32-master.zip

4. Download library dari https://github.com/ThingPulse/esp8266-oled-ssd1306

Setelah itu tambahkan sketch library : Sketch →include library→add zip library→esp8266-oled-ssd1306-master.zip

5. Pilih board TTGO LoRa32-OLED V1

Code Scenario

Test fungsionalitas : - Scan SSID WIFI - LoRa OLED - LoRa Firebase

Skenario 1 : - LoRa Sender+OLED dan LoRa Receiver + OLED (Fr 433MHz + 30Khz gap) Skenario 2: - LoRa Sender+OLED dan LoRa Receiver + Firebase + OLED

● Scan SSID WiFi

● LoRa and OLED File→example→ ESP8266 and ESP32 OLED Driver for SSD1306 display→SSD1306SimpleDemo

● Test Firebase Only File → example→ IOXhop_FirebaseESP32-master→ FirebaseDemo_ESP32

● LoRa Sender

● LoRa Receiver

● LoRa Receiver and Firebase

V. Schematic dan Pinout

VI. Referensi

https://en.wikipedia.org/wiki/ESP32 https://en.wikipedia.org/wiki/LoRa https://www.thethingsnetwork.org/forum/t/big-esp32-sx127x-topic-part-1/10247 https://github.com/espressif/arduino-esp32 https://github.com/ioxhop/IOXhop_FirebaseESP32 https://github.com/ThingPulse/esp8266-oled-ssd1306 https://www.semtech.com/uploads/documents/DS_SX1276-7-8-9_W_APP_V5.pdf