Bachelor's Thesis

LoRaWAN Class-B Beacon Receiver

Final Thesis 5.86 MB

Author of thesis: Bc. Karel Matoušek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Aleš Povalač, Ph.D.

Reviewer: Ing. Filip Stryk

Abstract:

This thesis pertains to the development and design of a LoRaWAN Class-B beacon
receiver. The goal was to create a device using a LoRa-E5 module capable of 1PPS
output signal generation based on the time stamps obtained from received packets and
also to decode and display the time information on an OLED screen. For realization,
a custom printed circuit board was designed serving as a prototype for testing, measurement, and demonstration. 1PPS output signal generation is achieved by averaging
the period measured between received beacons and compensating for the offset between
expected and received time. It was found that LoRaWAN beacons could be used as time
synchronization for the PPS signal generation due to their minimal delay. However, the
configuration with the LoRa-E5 module without an extern high-quality oscillator seems
suitable only for devices with lower accuracy requirements.

Keywords:

LoRa, LoRaWAN, Class-B beacon, receiver, STM32, Wio-E5 mini, LoRa-E5, PPS

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentuje výsledky a postupy řešení závěrečné práce. Následně odpovídá na dotazy vedoucího a oponenta práce a na dotazy členů zkušební komise. Student se vyjadřuje k posudkům a uvádí, že v práci vznikla chyba, kterou opravil po odevzdání. Doktor Roubal se ptal na přesnost logického analyzátoru, student odpovídá. Další otázka byla na offset a pakety, student odpovídá. Dodatečná otázka byla na přesnost PPS signálu, student odpovídá. Doc. Holcman se ptal na požadovanou mez přesnosti, student odpovídá. Doktor Roubal se ptal na stabilitu TCXO, student odpovídá. Doktor Lukeš se ptal na použitou frekvenci, student odpovídá.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Electronics and Communication Technologies (BPC-ECT)

Composition of Committee

doc. Ing. Jiří Petržela, Ph.D. (předseda)
prof. Dr. Ing. Zbyněk Raida (místopředseda)
doc. Ing. Vladimír Holcman, Ph.D. (člen)
Ing. Zdeněk Roubal, Ph.D. (člen)
Ing. Zbyněk Lukeš, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Aleš Povalač, Ph.D.

Předložená práce se zabývá návrhem a realizací přijímače majáků LoRaWAN Class-B a ověřením možnosti využít z nich získanou časovou značku jako základnu pro generování výstupního signálu 1PPS. Výstupem je vlastní deska plošných spojů postavená na modulu LoRa-E5, firmware pro příjem a dekódování majáků, zobrazení času na OLED displeji a porovnání generovaného 1PPS s referenčním GNSS přijímačem.

Zadání považuji za splněné ve všech bodech. Úvodní teoretická část popisující modulaci LoRa, architekturu LoRaWAN a zejména strukturu Class-B majáků je přehledná a dostatečná. Hardwarová realizace je zdařilá - vlastní DPS s napájecí částí, převodníkem USB-UART, bufferem pro 1PPS a vedením přizpůsobeným na 50 ohm je na dobré úrovni. Příjem majáku, kontrola CRC a dekódování a zobrazení času jsou v pořádku. Za zásadní nedostatek však považuji volbu zdroje hodin mikrokontroléru: podle projektu v CubeMX je MCU taktován z interního RC oscilátoru MSI namísto dostupného externího TCXO. To je hlavní příčinou velkého jitteru a nestability popsané v kap. 4.1. Tento problém měla odhalit první fáze testování, která je k tomu přímo určená; místo toho student pokračoval ve snaze velmi nestabilní oscilátor zpřesňovat průměrováním, což spolehlivě fungovat nemůže. Závěr, že LoRa-E5 bez kvalitního externího oscilátoru je pro tuto úlohu nevhodný, je proto zavádějící - TCXO byl k dispozici a nebyl využit. Následný postup (kompenzace offsetu, porovnání s GNSS) je už metodicky správný. Diskutabilní je rovněž tvrzení, že tentýž maják vyslala dvakrát po sobě stejná brána; bez porovnání RSSI a SNR, ideálně GwSpecific části beaconu, nelze vyloučit, že šlo o jinou, nesprávně nakonfigurovanou bránu.

Po formální stránce je anglicky psaný text čtivý a logicky strukturovaný. Elektronická příloha nebyla odevzdána, zdrojové soubory a podklady k návrhu jsou však dostupné v uvedeném GitHub repozitáři. Hardwarová i softwarová část práce jsou na dobré úrovni a zadání bylo splněno, celkový dojem snižuje chybná volba zdroje hodin, která zásadně ovlivnila dosažené výsledky. Points proposed by supervisor: 82

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Filip Stryk

Cílem práce bylo prostudovat principy modulace LoRa a architektury sítí LoRaWAN se zaměřením na zařízení třídy B a jejich synchronizaci pomocí majáku, a následně navrhnout a realizovat přijímač využívající tento maják jako časovou základnu pro generování signálu 1PPS jako alternativu k GNSS. Práce je členěna do čtyř kapitol: teoretický úvod do LoRa a LoRaWAN s důrazem na Class-B majáky, popis hardwaru přijímače včetně návrhu vlastní DPS na modulu LoRa-E5, kapitolu o zpracování majáku (validace paketu, výpočet CRC, formátování a zobrazení času) a závěrečnou kapitolu o generování a měření signálu 1PPS.

Po technické stránce práce prokazuje schopnost autora samostatně pracovat a navrhnout funkční zařízení včetně desky plošných spojů a jejího naprogramování. Algoritmus generování PPS s průměrováním periody je srozumitelně popsán. Autor pozoruje, že jsou majáky přijímány dvakrát po sobě s odstupem jedné sekundy, a uzavírá, že je brána vysílá dvojmo. Tato domněnka však není nijak potvrzena - stejně dobře se může jednat o majáky ze dvou různých bran, jejichž vysílání je vzájemně časově posunuté. Tuto možnost by bylo vhodné prověřit a v textu zohlednit. Dále postrádám popis, jak probíhalo samotné měření a porovnání s GNSS - chybí informace o použitém přístrojovém vybavení a způsobu měření, což oslabuje výpovědní hodnotu výsledků. Upozorňuji rovněž na rozpor: v kapitole 2.4.1 autor uvádí, že jako vysokorychlostní hodiny je použit teplotně kompenzovaný krystalový oscilátor (TCXO), zatímco v závěru navrhuje řešení problému s přesností "použitím TCXO jako zdroje hodin pro mikrokontrolér".

Stylistická a formální úroveň práce je dobrá. Text je psán srozumitelnou angličtinou, vhodně strukturovaný a doplněný přehlednými obrázky, schématy a výpisy kódu. Místy bych ovšem namísto výpisů kódu, kterých je podle mě poněkud mnoho, ocenil spíše jednoduchý slovní popis použitého algoritmu, který by byl pro čtenáře přehlednější. Drobné nedostatky - nevyřešená křížová reference ("list ??" na str. 43), neúplný výpis kódu (Listing 3.5) a ojedinělé překlepy - čtenářský dojem zásadně nenarušují. Celkově zadání považuji za splněné, práci hodnotím jako zdařilou a doporučuji ji k obhajobě s navrhovaným hodnocením 80 bodů/B. Topics for thesis defence:
  1. Vysvětlete rozpor v textu týkající se použití TCXO. Jaký zdroj hodin pro mikrokontrolér byl použit při měření?
  2. Jak probíhalo měření a porovnání generovaného 1PPS signálu s referenčním z GNSS přijímače?
Points proposed by reviewer: 80

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová