都市部など人口密集地域では、高い干渉の影響によりLoRa®の到達距離が2キロメートル未満に制限されます。また、市販されている多くのLoRa®ノードは消費電力が大きく、バッテリー駆動での連続稼働時間は3日程度が限界です。

こうした都市部におけるLoRa®の課題である高消費電力と狭い通信範囲を改善するため、Aiman Akid氏はLoRa®ポイントツーポイントネットワークの最適化プロジェクトを立ち上げました。このプロジェクトでは、2つの最適化戦略を構築し、ノードの動作を評価することを目的としています。一つはRTOSアプローチによるDeep Sleep（ディープスリープ）機能で、LoRa®センサーノードの消費電力を最小限に抑えるものです。もう一つは、ネットワークの通信距離を延長するために、中継ノードとして別のLoRa®ノードを追加する方法です。hackster.ioでのオリジナルプロジェクトについては、こちらをご覧ください。

Aiman Akid氏

プロジェクト概要

プロジェクトのアーキテクチャと、本プロジェクト用にFusionが製作した開発ボード

フィールドテストの実装

Wio-E5パラレルMCUボードのセットアップ

Aiman氏が設計し、Seeed Fusion PCBアセンブリサービスで製造されたこのカスタムWio-E5開発ボードには、Wio-E5ワイヤレスLoRa®モジュールとXIAO ESP32C3 MCUが搭載されています。このパラレル開発ボードはLoRa®レシーバーとして機能します。

レシーバーとして使用するWio-E5開発ボード

LoRa®センサーノードのセットアップ

以下にボードケース内部の図を示します。

Wio-E5 & ESP32ボードと内部回路

完成したLoRa®センサーノード

このDIY LoRa®センサーノードはLoRa®送信機として機能します。白いボックスにはWio-E5 + ESP32開発ボード：Grove Wio-E5とHibiscus Sense（ESP32）が搭載されており、黒いボックスには3種類のセンサーが内蔵されています：

  • MQ-135 空気質量センサー
  • DHT11 温湿度センサー
  • LDR 光センサーモジュール

最後に、デジタルマルチメーターを使用して消費電力を測定します。マルチメーターは電流モードに設定し、各センサーの電流値を測定します。ボードの電流値はデータシートに基づいて算出します。

フィールドテストの結果と結論

提案された手法を実装した結果、LoRa®センサーノードはそれぞれ異なる成果を示しました。

LoRa®伝送範囲測定の結果

ポイントツーポイントネットワークの最初のテスト

最初のテストでは、LoRa®送信機と受信機間の通信を確認しました。受信機は携帯電話のセルラーネットワークを介してインターネットに接続されています。LoRa®通信が確立されている間、送信機からのデータを受信できることを確認しました。フィールドテストの結果、テストサイトが郊外であったことを考慮しても、直接通信での最大到達距離は2.20キロメートルであることが判明しました。

中継ノードを使用した2回目のテスト

次に、Wio-E5パラレルMCU開発ボードをもう一台追加し、LoRa®送信機と受信機間の中継ノードとして機能させました。中継ノードを追加することで、以前は2.20キロメートルまでだった通信範囲を、最大3.7キロメートルまで延長することに成功しました。

LoRa®センサーノードの電力消費測定の結果

Aiman氏はマルチメーターを使用してボードとセンサーの電流を測定し、消費電力を算出しました。以下に1時間あたりの測定結果を示します。使用したバッテリーは容量2000mAhの18650リチウムイオン電池です。

ディープスリープモードとアクティブモードの比較

結論

フィールドテストの結果、提案された両方の手法がLoRa®の通信範囲を拡大し、同時にLoRa®センサーノードの消費電力を削減できることが実証されました。従来のP2P通信では2.2キロメートルだった伝送距離が、中継ノードの導入により3.7キロメートルまで延長されました。また、通常の構成と比較して、Deep Sleep機能を活用したバッテリー駆動のLoRa®センサーノードは、2.45倍長い時間動作することが可能になりました。

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注：LoRa®はSemtech Corporationまたはその関連会社の商標です。