如何克服LoRa終端節點(diǎn)設計中的挑戰？

LoRa?（遠距離）技術(shù)可將遠距離無(wú)線(xiàn)連接與低功耗性能相結合，從而擴展物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的覆蓋范圍。從智慧城市到智慧農業(yè)再到供應鏈跟蹤，LoRa可滿(mǎn)足各種需求，非常適合用于構建在城市和郊區環(huán)境中均可運行的靈活IoT網(wǎng)絡(luò )。

但是，要開(kāi)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？

這需要對全新的無(wú)線(xiàn)技術(shù)有所了解，并能夠挑選出適合您應用的解決方案，整個(gè)過(guò)程可能會(huì )讓人心力交瘁。無(wú)線(xiàn)射頻（RF）設計通常需要深入的RF專(zhuān)業(yè)知識，而且會(huì )占用設計人員大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

本文將介紹LoRa網(wǎng)絡(luò )架構的四個(gè)主要元素，并詳細討論設計人員在開(kāi)發(fā)LoRa終端節點(diǎn)時(shí)面臨的一些最常見(jiàn)的挑戰。我們還會(huì )介紹在幫助克服這些挑戰并縮短上市時(shí)間方面，經(jīng)過(guò)法規認證的LoRa模塊有何作用。

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò )架構

LoRa是一種無(wú)線(xiàn)調制技術(shù)，也是物理層，支持低功耗終端設備進(jìn)行遠距離通信。LoRaWAN是一種無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，用作介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）層，并在LoRa物理層之上實(shí)現。LoRaWAN規范詳細說(shuō)明了通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )架構，旨在確保終端設備之間的安全通信以及網(wǎng)絡(luò )內的互操作性。

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.      終端節點(diǎn)是LoRa生態(tài)系統的構成要素，用于收集傳感器數據以及發(fā)送/接收數據。這些要素通常采用遠程連接方式，并由電池供電。

2.      網(wǎng)關(guān)是終端節點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器之間的透明網(wǎng)橋。通常，終端節點(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)收集數據并過(guò)濾掉重復消息，決定哪個(gè)網(wǎng)關(guān)應該對終端節點(diǎn)消息做出響應，并調整數據速率以延長(cháng)終端節點(diǎn)的電池壽命。

4.      應用服務(wù)器從終端節點(diǎn)收集數據并控制終端節點(diǎn)設備的動(dòng)作。

下面我們來(lái)詳細了解一下LoRa終端節點(diǎn)的概念，以及進(jìn)行相關(guān)設計時(shí)會(huì )遇到的挑戰。 

設計LoRa終端節點(diǎn)的常見(jiàn)挑戰

終端節點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單的對象，例如傳感器和執行器。通常，這些對象就是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中的“物”。在LoRaWAN生態(tài)系統中，終端節點(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。

大多數情況下，LoRa終端節點(diǎn)都是低成本的電池供電類(lèi)應用，需要具有高成本效益和高能效。有多種方案可用于構建LoRa終端節點(diǎn)，具體取決于開(kāi)發(fā)時(shí)間、目標成本、功耗和具備的RF專(zhuān)業(yè)知識。在研究可用于構建LoRa終端節點(diǎn)的方案之前，我們先來(lái)看看設計人員在設計終端節點(diǎn)時(shí)面臨的一些最常見(jiàn)的挑戰，這有助于我們挑選合適的產(chǎn)品。

在設計這種終端節點(diǎn)架構時(shí)，以下領(lǐng)域的挑戰最為常見(jiàn)：

1.      RF設計

與所有其他無(wú)線(xiàn)設計一樣，設計LoRa終端節點(diǎn)也需要具備大量的RF設計專(zhuān)業(yè)知識。在使用LoRa SoC/SiP時(shí)，終端節點(diǎn)設備開(kāi)發(fā)人員負責整個(gè)RF設計，包括原理圖、BOM、PCB布局、天線(xiàn)調諧和其他射頻硬件。即使備有可靠實(shí)用的文檔和應用設計指南，RF設計也并不總是那么容易。設計過(guò)程不僅需要深入的RF專(zhuān)業(yè)知識，而且還會(huì )占用設計人員大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間。調試RF設計通常還需要特殊設備，這進(jìn)一步增加了開(kāi)發(fā)成本。為了克服RF設計挑戰，一些供應商會(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)法規認證的參考設計和內容詳盡的芯片級設計包。然而，要想盡可能縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間并降低風(fēng)險，已針對射頻進(jìn)行優(yōu)化、測試和認證的LoRa模塊總是最佳選擇。這類(lèi)模塊可以用作單個(gè)組件以提供完整的解決方案，從而降低設計風(fēng)險并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

2.      合規性與認證

LoRa/Sub-GHz無(wú)線(xiàn)電通常在免許可的ISM頻段運行，并且頻率會(huì )因地區而異，這對硬件和軟件設計人員來(lái)說(shuō)是一項挑戰。設計人員必須小心謹慎，以確保設計出完全合規的解決方案，同時(shí)盡可能降低BOM成本。此外，RF法規要求不斷變化，跟上法規變化、重新測試設備和重新認證合規性可能需要終端節點(diǎn)開(kāi)發(fā)公司投入數千美元和大量的工程時(shí)間，而這些資金和時(shí)間本可以用于新項目。使用經(jīng)過(guò)認證的LoRa模塊可以輕松解決這個(gè)問(wèn)題，因為模塊制造商會(huì )負責滿(mǎn)足最新法規要求，并重新認證模塊以符合最新規范。若選擇經(jīng)過(guò)法規認證的LoRa模塊，則可以完全避免花費在確保合規性上的所有成本和時(shí)間。

3.      多地區工作

LoRa設備支持不同地區的多種工作頻率。終端節點(diǎn)制造商通常會(huì )先在一個(gè)主要地區發(fā)布其終端產(chǎn)品。一旦需求增加，公司就會(huì )考慮擴展相同設計的應用范圍，以覆蓋其他地區。若擁有一個(gè)支持多個(gè)地區的SKU，則可以將最終產(chǎn)品無(wú)縫移植和擴展到不同的國家和地區。經(jīng)過(guò)法規認證的LoRa模塊適用于多個(gè)頻段，是此類(lèi)產(chǎn)品擴展的理想選擇。

4.      可靠的軟件

通常，LoRa模塊將整個(gè)LoRaWAN協(xié)議棧集成在模塊內部，終端節點(diǎn)開(kāi)發(fā)人員只需實(shí)現模塊的初始化和通信即可。  對于LoRa SoC/SiP和獨立的LoRa模塊，協(xié)議棧必須由制造商提供，如果沒(méi)有提供，則開(kāi)發(fā)人員必須自行開(kāi)發(fā)協(xié)議棧。為了最大限度地減少軟件開(kāi)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)驗證的LoRaWAN協(xié)議?？纱_保終端節點(diǎn)與主要LoRaWAN網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)關(guān)之間的互操作性，使終端節點(diǎn)能夠在不同的網(wǎng)絡(luò )上工作，同時(shí)降低風(fēng)險。

5.      從模塊到SoC的移植方案

許多公司基于經(jīng)過(guò)認證的模塊著(zhù)手進(jìn)行原型設計和初始生產(chǎn)運行，以期降低風(fēng)險并加快其產(chǎn)品的上市步伐。在其產(chǎn)品開(kāi)始生產(chǎn)爬坡后，公司可能會(huì )決定轉為使用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)單軟件移植的獨立模塊。此外，必須選擇同時(shí)銷(xiāo)售模塊和SoC的供應商，以便開(kāi)發(fā)平臺、軟件移植和支持結構可以保持不變。 

經(jīng)過(guò)法規認證的LoRa模塊有助于克服挑戰并簡(jiǎn)化LoRa終端節點(diǎn)設計

LoRa模塊包含所有必需的無(wú)線(xiàn)電元件以及LoRaWAN協(xié)議棧和RF電路，因此是加快LoRaWAN終端設備開(kāi)發(fā)速度的理想選擇。RF開(kāi)發(fā)和認證由模塊制造商執行，因此認證規范的任何變更或組件更換都完全由制造商處理，從而為終端設備制造商節省了大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間和重新認證成本。

獨立LoRa模塊具有高度集成的LoRa IC，可提供足夠的內存來(lái)運行應用程序代碼以及LoRaWAN協(xié)議棧。這樣一來(lái)，便無(wú)需使用外部單片機，可以節省電路板空間和系統成本。下面的圖2和圖3給出了這種獨立模塊的簡(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用。此外，該模塊還集成有RF開(kāi)關(guān)，可實(shí)現多頻段工作，并允許在多個(gè)地區使用同一模塊，從而更加輕松地擴大終端產(chǎn)品的市場(chǎng)。WLR089U0還受Microchip久經(jīng)考驗的LoRaWAN協(xié)議棧和專(zhuān)有的點(diǎn)對點(diǎn)軟件支持，正在開(kāi)發(fā)LoRa應用的最終用戶(hù)可借此簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程。這類(lèi)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(lèi)模塊有助于在開(kāi)發(fā)LoRa終端節點(diǎn)時(shí)克服所有常見(jiàn)的設計挑戰，從而簡(jiǎn)化整個(gè)設計過(guò)程。

圖2.WLR089U0 LoRa模塊框圖

圖3.WLR089U0 LoRa模塊

結論

開(kāi)發(fā)LoRa終端節點(diǎn)既復雜又耗時(shí)。高度集成且經(jīng)過(guò)認證的LoRa模塊提供了一種簡(jiǎn)單、成熟的方法來(lái)克服設計這些終端節點(diǎn)所涉及的復雜挑戰?？煽康能浖?、更大的內存、集成的RF開(kāi)關(guān)和法規認證是LoRa模塊的一些關(guān)鍵特性。選擇經(jīng)過(guò)嚴格認證的LoRa模塊不僅有助于簡(jiǎn)化設計過(guò)程，還能讓終端節點(diǎn)開(kāi)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)。