【導(dǎo)讀】在農(nóng)業(yè)、資產(chǎn)跟蹤、公用事業(yè)和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 等許多基于傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用中，開發(fā)人員需要提供能用于更廣泛工作范圍的安全連接。專為支持此類設(shè)備的超大型網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程廣域網(wǎng) (LoRaWAN) 協(xié)議能提供有效的解決方案，但要快速實(shí)施優(yōu)化的通信子系統(tǒng)，需要對(duì)其足夠熟悉且具備專業(yè)知識(shí)。
在農(nóng)業(yè)、資產(chǎn)跟蹤、公用事業(yè)和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 等許多基于傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用中，開發(fā)人員需要提供能用于更廣泛工作范圍的安全連接。專為支持此類設(shè)備的超大型網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程廣域網(wǎng) (LoRaWAN) 協(xié)議能提供有效的解決方案，但要快速實(shí)施優(yōu)化的通信子系統(tǒng)，需要對(duì)其足夠熟悉且具備專業(yè)知識(shí)。
本文簡要介紹了 LoRaWAN 及其功能。隨后介紹了 Murata Electronics 的 LoRaWAN 認(rèn)證模塊，該模塊為開發(fā)人員提供了一種即用型解決方案，可通過低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離連接。為加快原型設(shè)計(jì)周期，還配套提供了開發(fā)板和軟件支持。
什么是 LoRaWAN？
LoRaWAN 在現(xiàn)有的無線連接選項(xiàng)中已成為一種有效的解決方案，適用于基于服務(wù)器的應(yīng)用，可與遠(yuǎn)在 Wi-Fi 或藍(lán)牙等常用無線方案覆蓋范圍之外的低功耗終端設(shè)備連接。在 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用服務(wù)器通過傳統(tǒng)的傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (TCP/IP) 網(wǎng)絡(luò)與 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)通信（圖 1）。
圖 1：在典型的 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，服務(wù)器連接到網(wǎng)關(guān)，而網(wǎng)關(guān)則借助 LoRa 技術(shù)的遠(yuǎn)距離、低功耗功能連接可能位于數(shù)公里之外的終端設(shè)備。（圖片來源：Murata Electronics）
LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)則采用在未授權(quán)的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 頻帶上運(yùn)用的 LoRa 亞千兆射頻 (RF) 技術(shù)與終端設(shè)備通信。LoRa 技術(shù)面向相對(duì)低比特率的應(yīng)用，最大比特率約 10 Kbps，但它在遠(yuǎn)距離應(yīng)用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
LoRa RF 基于擴(kuò)頻技術(shù)，允許開發(fā)人員以比特率換距離，可在農(nóng)村地區(qū)輕松實(shí)現(xiàn)超過 15 公里的可靠雙向通信，在人口密集的城區(qū)室內(nèi)位置可實(shí)現(xiàn)超過 5 公里的可靠雙向通信。
借助 LoRaWAN 的安全模式，LoRaWAN 協(xié)議可保護(hù)通信流量。LoRaWAN 采用一對(duì)安全密鑰：一個(gè)用于確保數(shù)據(jù)包級(jí)別的真實(shí)性和完整性，另一個(gè)用于為終端設(shè)備與應(yīng)用服務(wù)器之間的信息提供端到端的安全性。
LoRaWAN 協(xié)議在平衡終端設(shè)備功耗與應(yīng)用的通信需求方面具有更多優(yōu)勢(shì)。LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備有 3 種操作類型：A 類、B 類和 C 類。三類設(shè)備均可根據(jù)需要傳輸信息，但其類別決定何時(shí)可以接收信息。
A 類設(shè)備能效最高，設(shè)計(jì)用于事件驅(qū)動(dòng)的操作，例如當(dāng)傳感器檢測(cè)到環(huán)境變化時(shí)。A 類設(shè)備可在兩次事件之間保持休眠狀態(tài)，僅在傳感器采集數(shù)據(jù)后喚醒足夠傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間，然后在上行鏈路傳輸后以指定的延遲（RX1 和 RX2）打開下行鏈路接收窗口（圖 2）。
圖 2：能效最高的 LoRaWAN 類別（A 類操作）讓設(shè)備盡可能長時(shí)間休眠，僅在向網(wǎng)關(guān)傳輸（上行鏈路）數(shù)據(jù)時(shí)才開始工作，并在上行鏈路完成后打開第 1 個(gè)接收窗口 (RX1) 和第 2 個(gè)接收窗口 (RX2)。（圖片來源：Murata Electronics）
B 類設(shè)備支持按應(yīng)用要求的時(shí)間表定期運(yùn)行。對(duì)于 B 類設(shè)備，LoRaWAN 協(xié)議允許設(shè)備按指定時(shí)間表打開下行鏈路接收窗口，利用網(wǎng)關(guān)發(fā)送的信標(biāo)使終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)同步（圖 3）。
圖 3：LoRaWAN B 類設(shè)備利用所連接網(wǎng)關(guān)發(fā)送的信標(biāo)來保持定時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)同步的下行鏈路。（圖片來源：Murata Electronics）
C 類設(shè)備設(shè)計(jì)用于需要終端設(shè)備持續(xù)監(jiān)聽下行鏈路消息的應(yīng)用。由于 C 類設(shè)備需要保持活躍狀態(tài)，因此通常由線路供電，而 A 類甚至 B 類設(shè)備由電池供電（圖 4）。
圖 4：LoRaWAN C 類設(shè)備通常由恒定電源供電，始終保持活躍狀態(tài)，在不傳輸上行鏈路消息時(shí)不斷監(jiān)聽下行鏈路消息。（圖片來源：Murata Electronics）
盡管 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)的概念看似簡單，但其實(shí)施卻需要足夠的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，才能在 LoRaWAN 協(xié)議的詳細(xì)運(yùn)行參數(shù)與其基礎(chǔ) LoRa 技術(shù)之間找到正確的平衡。
經(jīng)過認(rèn)證的 LoRaWAN 模塊提供了一種即用型解決方案
Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模塊和關(guān)聯(lián)固件提供了一種即用型解決方案，可加速 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)連接，為終端設(shè)備提供了完整的 LoRaWAN 認(rèn)證解決方案。該模塊集成了 Semtech 的 SX1262 LoRa 收發(fā)器、STMicroelectronics 的 STM32L072 微控制器（帶 192 Kb 閃存）、射頻開關(guān)和溫度補(bǔ)償晶體振蕩器 (TCXO)。其采用屏蔽樹脂模塑封裝，尺寸僅為 10.0 x 8.0 x 1.6 mm（圖 5）。
圖 5：Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模塊集成了 Semtech SX1262 LoRa 收發(fā)器和運(yùn)行預(yù)加載 LoRaWAN 協(xié)議棧的 STMicroelectronics STM32L072 微控制器，可提供完整的 LoRaWAN 連接解決方案。（圖片來源：Murata Electronics）
該模塊采用 3.3 V 單電源，125 kHz 帶寬耗電僅 15.5 mA，而在相同帶寬和最大擴(kuò)頻因子下，數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率為 1%，接收器靈敏度為 -135.5 dBm（分貝數(shù)基準(zhǔn)為 1 mW）。在 LoRa 的線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)施中，擴(kuò)頻因子被定義為每比特的線性調(diào)頻數(shù)。在傳輸方面，該模塊可提供高達(dá) +21.5 dBm 的傳輸功率，而最大傳輸功率時(shí)的功耗為 118 mA。
LBAA0QB1SJ-296 模塊支持 LoRaWAN A、B 或 C 類設(shè)備，提供多種低功耗操作模式，使開發(fā)人員能夠平衡性能和功耗。對(duì)于電池供電的終端設(shè)備（通常以 A 類或 B 類運(yùn)行），該模塊可在超低功耗模式下運(yùn)行，實(shí)時(shí)時(shí)鐘運(yùn)行時(shí)的功耗僅約為 1.3 μA，因此可運(yùn)行數(shù)年之久。
快速開發(fā) LoRaWAN 連接設(shè)備
使用 LBAA0QB1SJ-296 模塊為終端設(shè)備系統(tǒng)添加 LoRaWAN 連接相對(duì)簡單。在硬件方面，該模塊通過模塊的通用異步接收器/發(fā)送器 (UART) 接口與終端設(shè)備主機(jī)處理器相連。除了用于主機(jī)通信的 UART 接口外，該模塊只需要一個(gè)外部天線和一些其他元器件，就能提供一個(gè)完整的 LoRaWAN 硬件子系統(tǒng)（圖 6）。
圖 6：使用 Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模塊，開發(fā)人員只需增加幾個(gè)元器件，就能在其終端設(shè)備設(shè)計(jì)中添加經(jīng)過認(rèn)證的 LoRaWAN 連接。（圖片來源：Murata Electronics）
在軟件方面，LBAA0QB1SJ-296 模塊預(yù)配置了完整的堆棧，可在 915 MHz 的 ISM 頻段上運(yùn)行 LoRaWAN。在運(yùn)行過程中，終端設(shè)備主機(jī)處理器使用 AT 命令集管理和監(jiān)控模塊的工作。
雖然模塊的硬件接口和預(yù)加載固件有助于加快定制開發(fā)，但 Murata 的 LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK 評(píng)估板可讓開發(fā)人員立即開始快速原型設(shè)計(jì)，并加快生產(chǎn)設(shè)計(jì)的開發(fā)（圖 7）。
圖 7：Murata 的 LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK 評(píng)估板將 LBAA0QB1SJ-296 模塊與外設(shè)和連接器結(jié)合在一起，旨在加快 LoRaWAN 連接的評(píng)估和原型設(shè)計(jì)。（圖片來源：Murata Electronics）
該評(píng)估板支持板載 LBAA0QB1SJ-296 模塊，該模塊帶多種用戶接口設(shè)備，包括發(fā)光二極管 (LED)、熱敏電阻和按鈕。開發(fā)人員可以使用評(píng)估板上的 Arduino Uno V3 連接器添加所需的外設(shè)，從而進(jìn)一步擴(kuò)展評(píng)估板的功能。
要開始評(píng)估 LoRaWAN 的應(yīng)用，開發(fā)人員只需安裝合適的 915 MHz 射頻超小型 A 版 (SMA) 天線、外部電源，并通過 USB 連接器將評(píng)估板連接到主機(jī)開發(fā)系統(tǒng)。
評(píng)估板啟動(dòng)后，開發(fā)人員可使用終端仿真程序或圖形用戶界面 (GUI) 測(cè)試工具測(cè)試模塊的運(yùn)行情況，這些工具可供注冊(cè)評(píng)估板用戶使用。為擴(kuò)展調(diào)試，該評(píng)估板提供了串行線調(diào)試 (SWD) 和 USB 連接器，用于連接 STMicroelectronics ST-LINK 調(diào)試器/編程器。
對(duì)于端到端應(yīng)用評(píng)估和軟件調(diào)試，開發(fā)人員只需添加現(xiàn)成的 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)，即可完成評(píng)估板與應(yīng)用服務(wù)器之間的通信連接。
總結(jié)
LoRaWAN 協(xié)議和基礎(chǔ) LoRa 技術(shù)為連接遠(yuǎn)距離終端設(shè)備提供了有效的解決方案，而不會(huì)影響有限的功率預(yù)算。Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模塊設(shè)計(jì)可加快低功耗廣域網(wǎng)的部署，提供了經(jīng)過 LoRaWAN 認(rèn)證的即用型解決方案。借助 Murata Electronics 基于 LBAA0QB1SJ-296 的 LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK 評(píng)估板，開發(fā)人員可以快速對(duì)其 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和評(píng)估。
(作者：Stephen Evanczuk)
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