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如何克服LoRa?終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)?

2022/07/19
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LoRa?(遠(yuǎn)距離)技術(shù)可將遠(yuǎn)距離無(wú)線連接與低功耗性能相結(jié)合,從而擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的覆蓋范圍。從智慧城市到智慧農(nóng)業(yè)再到供應(yīng)鏈跟蹤,LoRa可滿足各種需求,非常適合用于構(gòu)建在城市和郊區(qū)環(huán)境中均可運(yùn)行的靈活I(lǐng)oT網(wǎng)絡(luò)。

但是,要開發(fā)一個(gè)全新的LoRa解決方案或移植到一個(gè)全新的LoRa解決方案,難度究竟如何??

這需要對(duì)全新的無(wú)線技術(shù)有所了解,并能夠挑選出適合您應(yīng)用的解決方案,整個(gè)過(guò)程可能會(huì)讓人心力交瘁。無(wú)線射頻(RF)設(shè)計(jì)通常需要深入的RF專業(yè)知識(shí),而且會(huì)占用設(shè)計(jì)人員大量的開發(fā)時(shí)間。

本文將介紹LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的四個(gè)主要元素,并詳細(xì)討論設(shè)計(jì)人員在開發(fā)LoRa終端節(jié)點(diǎn)時(shí)面臨的一些最常見的挑戰(zhàn)。我們還會(huì)介紹在幫助克服這些挑戰(zhàn)并縮短上市時(shí)間方面,經(jīng)過(guò)法規(guī)認(rèn)證的LoRa模塊有何作用。

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
LoRa是一種無(wú)線調(diào)制技術(shù),也是物理層,支持低功耗終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。LoRaWAN是一種無(wú)線聯(lián)網(wǎng)協(xié)議,用作介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)層,并在LoRa物理層之上實(shí)現(xiàn)。LoRaWAN規(guī)范詳細(xì)說(shuō)明了通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),旨在確保終端設(shè)備之間的安全通信以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的互操作性。

LoRa網(wǎng)絡(luò)有四個(gè)要素,具體如圖1所示。

圖1.LoRa網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)要素(圖片來(lái)源:LoRa聯(lián)盟)

1.終端節(jié)點(diǎn)是LoRa生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成要素,用于收集傳感器數(shù)據(jù)以及發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。這些要素通常采用遠(yuǎn)程連接方式,并由電池供電。

2.網(wǎng)關(guān)是終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的透明網(wǎng)橋。通常,終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)LoRaWAN連接到網(wǎng)關(guān),而網(wǎng)關(guān)利用Wi-Fi?、以太網(wǎng)或蜂窩等高帶寬網(wǎng)絡(luò)連接到網(wǎng)絡(luò)。

3.一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可以連接到多個(gè)網(wǎng)關(guān),能夠從多個(gè)網(wǎng)關(guān)收集數(shù)據(jù)并過(guò)濾掉重復(fù)消息,決定哪個(gè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)該對(duì)終端節(jié)點(diǎn)消息做出響應(yīng),并調(diào)整數(shù)據(jù)速率以延長(zhǎng)終端節(jié)點(diǎn)的電池壽命。

4.應(yīng)用服務(wù)器從終端節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)并控制終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備的動(dòng)作。

下面我們來(lái)詳細(xì)了解一下LoRa終端節(jié)點(diǎn)的概念,以及進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)遇到的挑戰(zhàn)。 ?

設(shè)計(jì)LoRa終端節(jié)點(diǎn)的常見挑戰(zhàn)?
終端節(jié)點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單的對(duì)象,例如傳感器和執(zhí)行器。通常,這些對(duì)象就是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)中的“物”。在LoRaWAN生態(tài)系統(tǒng)中,終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通信。?

大多數(shù)情況下,LoRa終端節(jié)點(diǎn)都是低成本的電池供電類應(yīng)用,需要具有高成本效益和高能效。有多種方案可用于構(gòu)建LoRa終端節(jié)點(diǎn),具體取決于開發(fā)時(shí)間、目標(biāo)成本、功耗和具備的RF專業(yè)知識(shí)。在研究可用于構(gòu)建LoRa終端節(jié)點(diǎn)的方案之前,我們先來(lái)看看設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)時(shí)面臨的一些最常見的挑戰(zhàn),這有助于我們挑選合適的產(chǎn)品。

在設(shè)計(jì)這種終端節(jié)點(diǎn)架構(gòu)時(shí),以下領(lǐng)域的挑戰(zhàn)最為常見:

1.RF設(shè)計(jì)
與所有其他無(wú)線設(shè)計(jì)一樣,設(shè)計(jì)LoRa終端節(jié)點(diǎn)也需要具備大量的RF設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)。在使用LoRa SoC/SiP時(shí),終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備開發(fā)人員負(fù)責(zé)整個(gè)RF設(shè)計(jì),包括原理圖、BOM、PCB布局、天線調(diào)諧和其他射頻硬件。即使備有可靠實(shí)用的文檔和應(yīng)用設(shè)計(jì)指南,RF設(shè)計(jì)也并不總是那么容易。設(shè)計(jì)過(guò)程不僅需要深入的RF專業(yè)知識(shí),而且還會(huì)占用設(shè)計(jì)人員大量的開發(fā)時(shí)間。調(diào)試RF設(shè)計(jì)通常還需要特殊設(shè)備,這進(jìn)一步增加了開發(fā)成本。為了克服RF設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),一些供應(yīng)商會(huì)提供附帶各種支持的SoC/SiP,其中包括非常實(shí)用的文檔、經(jīng)過(guò)法規(guī)認(rèn)證的參考設(shè)計(jì)和內(nèi)容詳盡的芯片級(jí)設(shè)計(jì)包。然而,要想盡可能縮短開發(fā)時(shí)間并降低風(fēng)險(xiǎn),已針對(duì)射頻進(jìn)行優(yōu)化、測(cè)試和認(rèn)證的LoRa模塊總是最佳選擇。這類模塊可以用作單個(gè)組件以提供完整的解決方案,從而降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)并縮短開發(fā)時(shí)間。

2.合規(guī)性與認(rèn)證
LoRa/Sub-GHz無(wú)線電通常在免許可的ISM頻段運(yùn)行,并且頻率會(huì)因地區(qū)而異,這對(duì)硬件和軟件設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)人員必須小心謹(jǐn)慎,以確保設(shè)計(jì)出完全合規(guī)的解決方案,同時(shí)盡可能降低BOM成本。此外,RF法規(guī)要求不斷變化,跟上法規(guī)變化、重新測(cè)試設(shè)備和重新認(rèn)證合規(guī)性可能需要終端節(jié)點(diǎn)開發(fā)公司投入數(shù)千美元和大量的工程時(shí)間,而這些資金和時(shí)間本可以用于新項(xiàng)目。使用經(jīng)過(guò)認(rèn)證的LoRa模塊可以輕松解決這個(gè)問(wèn)題,因?yàn)槟K制造商會(huì)負(fù)責(zé)滿足最新法規(guī)要求,并重新認(rèn)證模塊以符合最新規(guī)范。若選擇經(jīng)過(guò)法規(guī)認(rèn)證的LoRa模塊,則可以完全避免花費(fèi)在確保合規(guī)性上的所有成本和時(shí)間。

3.多地區(qū)工作
LoRa設(shè)備支持不同地區(qū)的多種工作頻率。終端節(jié)點(diǎn)制造商通常會(huì)先在一個(gè)主要地區(qū)發(fā)布其終端產(chǎn)品。一旦需求增加,公司就會(huì)考慮擴(kuò)展相同設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍,以覆蓋其他地區(qū)。若擁有一個(gè)支持多個(gè)地區(qū)的SKU,則可以將最終產(chǎn)品無(wú)縫移植和擴(kuò)展到不同的國(guó)家和地區(qū)。經(jīng)過(guò)法規(guī)認(rèn)證的LoRa模塊適用于多個(gè)頻段,是此類產(chǎn)品擴(kuò)展的理想選擇。?

4.可靠的軟件
通常,LoRa模塊將整個(gè)LoRaWAN協(xié)議棧集成在模塊內(nèi)部,終端節(jié)點(diǎn)開發(fā)人員只需實(shí)現(xiàn)模塊的初始化和通信即可。 ?對(duì)于LoRa SoC/SiP和獨(dú)立的LoRa模塊,協(xié)議棧必須由制造商提供,如果沒(méi)有提供,則開發(fā)人員必須自行開發(fā)協(xié)議棧。為了最大限度地減少軟件開發(fā)工作,建議選擇制造商的LoRaWAN協(xié)議棧支持的LoRa模塊/IC。制造商提供的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的LoRaWAN協(xié)議??纱_保終端節(jié)點(diǎn)與主要LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)之間的互操作性,使終端節(jié)點(diǎn)能夠在不同的網(wǎng)絡(luò)上工作,同時(shí)降低風(fēng)險(xiǎn)。

5.從模塊到SoC的移植方案
許多公司基于經(jīng)過(guò)認(rèn)證的模塊著手進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和初始生產(chǎn)運(yùn)行,以期降低風(fēng)險(xiǎn)并加快其產(chǎn)品的上市步伐。在其產(chǎn)品開始生產(chǎn)爬坡后,公司可能會(huì)決定轉(zhuǎn)為使用LoRa SoC/IC,以提高靈活性或降低BOM成本。移植并非總是簡(jiǎn)單易行,因此務(wù)必考慮選用允許在模塊與IC之間進(jìn)行簡(jiǎn)單軟件移植的獨(dú)立模塊。此外,必須選擇同時(shí)銷售模塊和SoC的供應(yīng)商,以便開發(fā)平臺(tái)、軟件移植和支持結(jié)構(gòu)可以保持不變。 ?

經(jīng)過(guò)法規(guī)認(rèn)證的LoRa模塊有助于克服挑戰(zhàn)并簡(jiǎn)化LoRa終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
LoRa模塊包含所有必需的無(wú)線電元件以及LoRaWAN協(xié)議棧和RF電路,因此是加快LoRaWAN終端設(shè)備開發(fā)速度的理想選擇。RF開發(fā)和認(rèn)證由模塊制造商執(zhí)行,因此認(rèn)證規(guī)范的任何變更或組件更換都完全由制造商處理,從而為終端設(shè)備制造商節(jié)省了大量的開發(fā)時(shí)間和重新認(rèn)證成本。?

獨(dú)立LoRa模塊具有高度集成的LoRa IC,可提供足夠的內(nèi)存來(lái)運(yùn)行應(yīng)用程序代碼以及LoRaWAN協(xié)議棧。這樣一來(lái),便無(wú)需使用外部單片機(jī),可以節(jié)省電路板空間和系統(tǒng)成本。下面的圖2和圖3給出了這種獨(dú)立模塊的簡(jiǎn)單示例。WLR089U0模塊基于Microchip的SAM R34/35系列IC,是一款緊湊型模塊,具有256 KB閃存和40 KB RAM,非常適合空間受限的應(yīng)用。此外,該模塊還集成有RF開關(guān),可實(shí)現(xiàn)多頻段工作,并允許在多個(gè)地區(qū)使用同一模塊,從而更加輕松地?cái)U(kuò)大終端產(chǎn)品的市場(chǎng)。WLR089U0還受Microchip久經(jīng)考驗(yàn)的LoRaWAN協(xié)議棧和專有的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)軟件支持,正在開發(fā)LoRa應(yīng)用的最終用戶可借此簡(jiǎn)化軟件開發(fā)過(guò)程。這類模塊基于SAM R34/35 IC,因此在模塊與IC之間的移植也更加簡(jiǎn)單。選擇這類模塊有助于在開發(fā)LoRa終端節(jié)點(diǎn)時(shí)克服所??有常見的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),從而簡(jiǎn)化整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。

圖2.WLR089U0 LoRa模塊框圖?

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圖3.WLR089U0 LoRa模塊
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結(jié)論
開發(fā)LoRa終端節(jié)點(diǎn)既復(fù)雜又耗時(shí)。高度集成且經(jīng)過(guò)認(rèn)證的LoRa模塊提供了一種簡(jiǎn)單、成熟的方法來(lái)克服設(shè)計(jì)這些終端節(jié)點(diǎn)所涉及的復(fù)雜挑戰(zhàn)??煽康能浖?、更大的內(nèi)存、集成的RF開關(guān)和法規(guī)認(rèn)證是LoRa模塊的一些關(guān)鍵特性。選擇經(jīng)過(guò)嚴(yán)格認(rèn)證的LoRa模塊不僅有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程,還能讓終端節(jié)點(diǎn)開發(fā)人員成功使其產(chǎn)品脫穎而出并更快地將其推向市場(chǎng)。

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