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

LoRa®（遠(yuǎn)距離）技術(shù)可將遠(yuǎn)距離無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)過程可能會(huì)讓人心力交瘁。無線射頻（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是一種無線聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，用作介質(zhì)訪問控制（MAC）層，并在LoRa物理層之上實(shí)現(xiàn)。LoRaWAN規(guī)范詳細(xì)說明了通信協(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（圖片來源：LoRa聯(lián)盟）

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。

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)。

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)速率以延長終端節(jié)點(diǎn)的電池壽命。

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：

RF設(shè)計(jì)

與所有其他無線設(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。

合規(guī)性與認(rèn)證

LoRa/Sub-GHz無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)人員來說是一項(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)過認(rèn)證的LoRa模塊可以輕松解決這個(gè)問題，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。

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)品無縫移植和擴(kuò)展到不同的國家和地區(qū)。經(jīng)過法規(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。

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)。

從模塊到SoC的移植方案

許多公司基于經(jīng)過認(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)存來運(yùn)行應(yīng)用程序代碼以及LoRaWAN協(xié)議棧。這樣一來，便無需使用外部單片機(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)過程。

圖2.WLR089U0 LoRa模塊框圖

圖3.WLR089U0 LoRa模塊

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)過認(rèn)證的LoRa模塊提供了一種簡(jiǎn)單、成熟的方法來克服設(shè)計(jì)這些終端節(jié)點(diǎn)所涉及的復(fù)雜挑戰(zhàn)。可靠的軟件、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)過嚴(yán)格認(rèn)證的LoRa模塊不僅有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，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)。