作者：Stephen Evanczuk

　　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，遠(yuǎn)程廣域網(wǎng) (LoRaWAN) 協(xié)議能提供有效的解決方案，但要快速實施優(yōu)化的通信子系統(tǒng)，需要對其足夠熟悉且具備專業(yè)知識。

　　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) 實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離連接。為加快原型設(shè)計周期，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)用方面具有獨特的優(yōu)勢。

　　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 采用一對安全密鑰：一個用于確保數(shù)據(jù)包級別的真實性和完整性，另一個用于為終端設(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。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，但其類別決定何時可以接收信息。

　　A 類設(shè)備能效最高，設(shè)計用于事件驅(qū)動的操作，例如當(dāng)傳感器檢測到環(huán)境變化時。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)備盡可能長時間休眠，僅在向網(wǎng)關(guān)傳輸(上行鏈路)數(shù)據(jù)時才開始工作，并在上行鏈路完成后打開第 1 個接收窗口 (RX1) 和第 2 個接收窗口 (RX2)。(圖片來源：Murata Electronics)

　　B 類設(shè)備支持按應(yīng)用要求的時間表定期運行。對于 B 類設(shè)備，LoRaWAN 協(xié)議允許設(shè)備按指定時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，從而實現(xiàn)同步的下行鏈路。(圖片來源：Murata Electronics)

　　C 類設(shè)備設(shè)計用于需要終端設(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，但其實施卻需要足夠的知識和經(jīng)驗，才能在 LoRaWAN 協(xié)議的詳細(xì)運行參數(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。對于電池供電的終端設(shè)備(通常以 A 類或 B 類運行)，該模塊可在超低功耗模式下運行，實時時鐘運行時的功耗僅約為 1.3 μA，因此可運行數(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，該模塊只需要一個外部天線和一些其他元器件，就能提供一個完整的 LoRaWAN 硬件子系統(tǒng)(圖 6)。

　　圖 6：使用 Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模塊，開發(fā)人員只需增加幾個元器件，就能在其終端設(shè)備設(shè)計中添加經(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 頻段上運行 LoRaWAN。在運行過程中，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 評估板可讓開發(fā)人員立即開始快速原型設(shè)計，并加快生產(chǎn)設(shè)計的開發(fā)(圖 7)。

　　圖 7：Murata 的 LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK 評估板將 LBAA0QB1SJ-296 模塊與外設(shè)和連接器結(jié)合在一起，旨在加快 LoRaWAN 連接的評估和原型設(shè)計。(圖片來源：Murata Electronics)

　　該評估板支持板載 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)展評估板的功能。

　　要開始評估 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 連接器將評估板連接到主機(jī)開發(fā)系統(tǒng)。

　　評估板啟動后，開發(fā)人員可使用終端仿真程序或圖形用戶界面 (GUI) 測試工具測試模塊的運行情況，這些工具可供注冊評估板用戶使用。為擴(kuò)展調(diào)試，該評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。

　　對于端到端應(yīng)用評估和軟件調(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，而不會影響有限的功率預(yù)算。Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模塊設(shè)計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 評估板，開發(fā)人員可以快速對其 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進(jìn)行原型設(shè)計和評估。