【導讀】在農業(yè)、資產跟蹤、公用事業(yè)和物聯(lián)網 (IoT) 等許多基于傳感器的大規(guī)模生產應用中，開發(fā)人員需要提供能用于更廣泛工作范圍的安全連接。專為支持此類設備的超大型網絡而設計，遠程廣域網 (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。
在農業(yè)、資產跟蹤、公用事業(yè)和物聯(lián)網 (IoT) 等許多基于傳感器的大規(guī)模生產應用中，開發(fā)人員需要提供能用于更廣泛工作范圍的安全連接。專為支持此類設備的超大型網絡而設計，遠程廣域網 (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 (LPWAN) 實現(xiàn)超遠距離連接。為加快原型設計周期，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，適用于基于服務器的應用，可與遠在 Wi-Fi 或藍牙等常用無線方案覆蓋范圍之外的低功耗終端設備連接。在 LoRaWAN 網絡中，應用服務器通過傳統(tǒng)的傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網協(xié)議 (TCP/IP) 網絡與 LoRaWAN 網關通信（圖 1）。
圖 1：在典型的 LoRaWAN 網絡應用中，服務器連接到網關，而網關則借助 LoRa 技術的遠距離、低功耗功能連接可能位于數(shù)公里之外的終端設備。（圖片來源：Murata Electronics）
LoRaWAN 網關則采用在未授權的工業(yè)、科學和醫(yī)療 (ISM) 頻帶上運用的 LoRa 亞千兆射頻 (RF) 技術與終端設備通信。LoRa 技術面向相對低比特率的應用，最大比特率約 10 Kbps，但它在遠距離應用方面具有獨特的優(yōu)勢。
LoRa RF 基于擴頻技術，允許開發(fā)人員以比特率換距離，可在農村地區(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備與應用服務器之間的信息提供端到端的安全性。
LoRaWAN 協(xié)議在平衡終端設備功耗與應用的通信需求方面具有更多優(yōu)勢。LoRaWAN 網絡中的設備有 3 種操作類型：A 類、B 類和 C 類。三類設備均可根據(jù)需要傳輸信息，但其類別決定何時可以接收信息。
A 類設備能效最高，設計用于事件驅動的操作，例如當傳感器檢測到環(huán)境變化時。A 類設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）讓設備盡可能長時間休眠，僅在向網關傳輸（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 類設備支持按應用要求的時間表定期運行。對于 B 類設備，LoRaWAN 協(xié)議允許設備按指定時間表打開下行鏈路接收窗口，利用網關發(fā)送的信標使終端設備與網絡同步（圖 3）。
圖 3：LoRaWAN B 類設備利用所連接網關發(fā)送的信標來保持定時，從而實現(xiàn)同步的下行鏈路。（圖片來源：Murata Electronics）
C 類設備設計用于需要終端設備持續(xù)監(jiān)聽下行鏈路消息的應用。由于 C 類設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 類設備由電池供電（圖 4）。
圖 4：LoRaWAN C 類設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 網絡的概念看似簡單，但其實施卻需要足夠的知識和經驗，才能在 LoRaWAN 協(xié)議的詳細運行參數(shù)與其基礎 LoRa 技術之間找到正確的平衡。
經過認證的 LoRaWAN 模塊提供了一種即用型解決方案
Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模塊和關聯(lián)固件提供了一種即用型解決方案，可加速 LoRaWAN 網絡連接，為終端設備提供了完整的 LoRaWAN 認證解決方案。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)基準為 1 mW）。在 LoRa 的線性調頻擴頻技術實施中，擴頻因子被定義為每比特的線性調頻數(shù)。在傳輸方面，該模塊可提供高達 +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 連接設備
使用 LBAA0QB1SJ-296 模塊為終端設備系統(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) 接口與終端設備主機處理器相連。除了用于主機通信的 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，就能在其終端設備設計中添加經過認證的 LoRaWAN 連接。（圖片來源：Murata Electronics）
在軟件方面，LBAA0QB1SJ-296 模塊預配置了完整的堆棧，可在 915 MHz 的 ISM 頻段上運行 LoRaWAN。在運行過程中，終端設備主機處理器使用 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計，并加快生產設計的開發(fā)（圖 7）。
圖 7：Murata 的 LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK 評估板將 LBAA0QB1SJ-296 模塊與外設和連接器結合在一起，旨在加快 LoRaWAN 連接的評估和原型設計。（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，從而進一步擴展評估板的功能。
要開始評估 LoRaWAN 的應用，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。為擴展調試，該評估板提供了串行線調試 (SWD) 和 USB 連接器，用于連接 STMicroelectronics ST-LINK 調試器/編程器。
對于端到端應用評估和軟件調試，開發(fā)人員只需添加現(xiàn)成的 LoRaWAN 網關，即可完成評估板與應用服務器之間的通信連接。
總結
LoRaWAN 協(xié)議和基礎 LoRa 技術為連接遠距離終端設備提供了有效的解決方案，而不會影響有限的功率預算。Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模塊設計可加快低功耗廣域網的部署，提供了經過 LoRaWAN 認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 網絡應用進行原型設計和評估。
(作者：Stephen Evanczuk)
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