發布日期：2022-04-17 點擊率：89
設計人員可以使用各種各樣的無線技術將產品連接到物聯網 (IoT)。每種技術適用于不同的應用，需要設計人員仔細考慮作用距離和數據速率、成本、功耗、體積和外形等因素。
本文將介紹 LoRa 協議，比較其相對其他協議的優勢，并介紹幾種產品和開發工具包，讓工程師們快速開發出基于 LoRa 的系統。
每種無線技術都有其強弱點。例如，標準 Wi-Fi 可以高速傳輸大量數據，但作用距離有限。蜂窩網絡結合了高速和遠距離優勢，但功率不足。
像遠程數據采集、城市照明控制、天氣監測和農業這樣的物聯網應用擁有不同的優先級組合。在這些應用中，像天氣條件、土壤含水量或路燈開關之類數量測量或控制，在較長的時間內變化都很慢。
此外，傳感器節點往往會相距幾英里，并且由電池供電，因此最佳的無線協議必須能夠以最小功耗長距離發送小數據包。LoRa 協議正是因應此類要求而設計的。
LoRa 針對的是低功率、廣域網（LPWAN）應用。其作用距離超過 15 公里，連接節點可達 100 萬個。低功耗與長距離極限的組合可將最大數據速率提升至每秒 50千比特（Kbps）。
LoRa 是 Semtech Corporation 擁有的專有專利技術，運行在 ISM 頻段。根據地區的不同，ISM 的頻率分配和監管要求不盡相同（圖 1）。兩個最受歡迎的頻率是歐洲使用的 868 兆赫（MHz），北美使用的 915 MHz。其他地區，特別是亞洲地區也有不同的要求。
| 歐洲北美頻段867-869 MHz902-928 MHz頻道數1064 + 8 + 8上行頻道帶寬125/250 kHz125/500 kHz下行頻道帶寬125 kHz500 kHz上行發射功率+14 dBm+ 20 dBm（典型值）（允許 +30 dBm）下行發射功率+14 dBm+27 dBmSF 范圍7-127-10數據速率250 bps - 50 kbps980 bps - 21.9 kbps上行鏈路預算155 dB154 dB下行鏈路預算155 dB157 dB |
圖 1：兩個廣泛使用 ISM 頻段的地區歐洲和美國的 LoRa 規范比較。（圖片來源：LoRa 聯盟）
LoRa 物理層使用擴頻調制 (SSM)（圖2）。SSM 以較高的頻率序列對基本信號進行編碼，特意在較寬帶寬上擴散基本信號，降低了功耗，并增加了電磁抗干擾能力。
圖 2：擴頻系統將輸入數據乘以更快的擴展信號帶寬的代碼序列。（圖片來源：Semtech Corporation）
基本信號的擴頻因子 (SF) 是可變的，代表的是一種折衷。 對于既定的可用帶寬，較大的擴頻因子降低了比特率，但也因為增加傳輸時間而減少了電池壽命。
指定擴頻因子 (SF) 和帶寬 (BW) 將按以下公式確定比特率：
LoRa 允許有六個擴頻因子（SF7 - SF12）和三個不同的帶寬（125 kHz，250 kHz，500 kHz）。允許的擴頻因子和帶寬由地區管制機構確定。例如，北美規定帶寬為 500 kHz，擴頻因子為 7 到 10。
由于采用擴頻技術，不同數據速率的消息是正交的，并且通過創建一組“虛擬”頻道，增加了網關容量，因而彼此相互不干擾。
LoRa 方案基于稱為線性調頻擴頻 (CSS) 調制的 SSM 變體（圖 3）。CSS 使用“線性調頻”對數據進行編碼，基本上是一種隨時間增減的寬帶調頻正弦信號。
圖 3：CSS“上掃頻”既可以跟隨頻率相對時間的多項式表達式，也可以展現如這里所示的線性關系。（圖片來源：維基百科）
CSS 非常適合需要低功率消耗的低數據速率（<1 Mb/s）應用。IEEE 802.15.4a 是另一個低速率標準，將 CSS 指定為在無線個人局域網 (LR-WPAN) 中所用的技術。CSS 已經使用了許多年，在軍事和空間應用中提供穩健的長距離通信，但是 LoRa 是第一個低成本的商業實現。
LoRaWAN 規范定義了 LPWAN 的媒體訪問控制 (MAC) 層。LoRaWAN 在 LoRa 物理層之上實現，并指定了通信協議和網絡架構。這些功能對多個性能參數有很大的影響，其中包括：
節點的電池壽命
網絡容量
網絡安全
所服務的應用
LoRaWAN 網絡架構使用星形拓撲結構，其中每個端節點通過網絡服務器與多個網關進行通信。
LoRa 網絡有四個要素（圖 4）：
端節點收集傳感器數據，將其傳輸至上游，并從應用服務器接收下游通信數據。端點設備使用單跳無線通信方式與一個或多個網關進行通信。
集中器/網關充當透明網橋，并在端節點和上游服務器之間中繼轉發雙向數據。
網絡服務器通過有線或無線式安全 TCP/IP 連接與多個網關連接；消除了重復消息；決定哪個網關應該響應端節點消息；并使用自適應數據速率 (ADR) 方案管理端節點數據速率，以最大限度地提高網絡容量并延長端節點的電池壽命。
應用服務器會收集和分析端節點的數據，并確定端節點的動作。
圖 4：LoRa 網絡有四個主要塊和兩個安全層。（圖片來源：LoRa 聯盟）
端點通信通常是雙向的，但是 LoRa 還支持像軟件升級這樣的多播操作。許多競爭協議，如 ZigBee，采用網狀拓撲，其中各個端節點從其他端節點接收和重發信息。這種方法增加了網絡的范圍和蜂窩的大小，但是增加通信開銷也增加了復雜性，降低了網絡容量，并增加了各個節點的功耗。
端節點設備有三類。所有三個類均允許雙向通信，并且可以經由網關啟動到服務器的上行鏈路。它們在接收傳入的服務器消息時有所不同。
LoRaWAN A 類設備的功耗最小。結束節點只允許在上行鏈路傳輸之后短期開放的兩個短接收窗口期間，接收來自服務器的通信數據。在任何其他時間，來自服務器的消息都必須等待，直至到達下一個計劃上行鏈路時間。A 類設備是異步的。端點只要有數據發送就會開始傳輸，然后等待預設時間并偵聽響應。
LoRa B 類設備提供 A 類功能，但也可以在預定時間打開額外的接收窗口。為了與網絡同步，B 類節點每隔 128 秒即會從網關接收時間同步信標。在這個 128 秒內，該設備會分配一個時隙，讓服務器知道終端設備何時正在偵聽。
LoRa C 類設備提供幾乎連續開放的接收窗口。窗口僅在端點傳輸期間關閉。C 類設備適用于需要接收大量數據而不是發送數據的情形。
強大的安全性是任何 LPWAN 設計的關鍵要素。LoRaWAN 使用 AES 128 位加密，并具有兩個獨立的安全層、一個網絡會話密鑰 (NwkSKey) 和一個應用會話密鑰 (AppSKey)（圖 5）。
圖 5：從 LoRa 終端設備到應用的數據流在鏈路的開始和結束處包括了加密和解密，因此只有端點傳感器和應用可以訪問純文本數據。（圖片來源：Microchip Technology）
網絡安全層確保了網絡中節點的真偽，應用安全層確保了網絡運營商無權訪問終端用戶的應用數據。
部署密鑰有兩種方法：
個性化激活（ABP）：此時，LoRaWAN 終端設備可以使用特定 LoRaWAN 網絡的驗證信息進行工廠編程。
空中激活（OTAA）：這種方法使用應用 ID、唯一設備 ID 和網絡指定設備地址來派生出 NwkSKey 和 AppSKey。首選這種方法，因為密鑰不是預先確定的，且可以重新生成。
制造商為設計人員提供了一系列 LoRa 選擇，集成程度不一，從單個設備到完整的開發套件。
Semtech Corporation 的 SX1279 單芯片 LoRa 收發器可以覆蓋歐洲和北美 ISM 頻段（圖 6）。根據適用的法規，該設備提供的頻道帶寬從 7.8 kHz 到 500 kHz，擴頻因子從 6 到 12。
圖 6：Semtech SX1279 提供 18 位/秒到 37.5 千位/秒的有效比特率，比 LoRaWAN 允許的范圍更寬。（圖片來源：Semtech Corporation）
在模塊級別，作為 LoRa IP 的被許可方 Microchip，為 868 MHz 的歐洲應用提供了 RN2483，并為北美 915 MHz 應用提供了 RN2903 LoRa（圖 7）。這兩個模塊均包含一個帶有 LoRa 協議棧的應用特定微控制器、一個符合 LoRa 標準的無線電收發器、一個為器件提供唯一 EUI-64 標識符的串行 EEPROM 以及十四個用于模擬或數字傳感器輸入、開關或狀態指示燈的輸入/輸出（I/O）引腳。
這些模塊旨在作為 A 類設備使用，并通過一個集成的 +18.5 分貝-毫瓦（dBm）輸出高能效功率放大器（在 RN2483 中為 +14 dBm）實現長距離操作，并具有 -146 dBm 的接收靈敏度。
圖 7：典型的 RN2903 端節點可以同時包括輸入和輸出功能。可選的 ICSP 端口可用于更新固件。（圖片來源：Microchip Technology）
在板級，Microchip 提供一款基于 RN2903 LoRa 調制解調器的 A 類終端設備 DM164139 塵埃。塵埃是一個獨立的電池供電型節點，為 RN2903 的遠距離功能提供了一個便利的演示平臺。
塵埃包括光和溫度傳感器。數據傳輸可以通過按鈕按下激活，或按固定計劃發送。有一個 LCD 用來顯示諸如連接狀態、傳感器值或下行鏈路數據之類信息。
該板通過 USB 2.0 micro-B 連接器連接到計算機，訪問 RN2903 的 UART 接口。UART 允許通過高級 ASCII 指令集快速設置和控制板載 LoRaWAN 協議棧。
RN2483 調制解調器有自己的塵埃板 DM164138。
最后，Microchip 的 DV164140-2 LoRa 網絡評估套件還包括兩個 RN2903 塵埃板和一個網關板（圖 8）。這樣設計人員就可以輕松評估全套 915 MHz LoRa 系統的功能。姊妹套件 DV164140-1 覆蓋 868 MHz 應用。
圖 8：Microchip 的 DV164140-2（915MHz）和 DV164140-1（868 MHz）LoRa 評估套件包括兩個塵埃板、網關核心板和無線電板（從左到右）。（圖片來源：Microchip Technology）
網關板由一個核心板和一個附屬無線電板組成。它包括一塊 LCD 屏幕、一個用于配置數據的 SD 卡、一個以太網連接、一個天線和全波段捕獲無線電。
網關板通過一根同時提供電源和通信的 USB 電纜連接到主機PC。另外，核心板和 PC 的局域網（LAN）連接器之間連接有一根以太網電纜，用于在網關和服務器之間進行通信。
塵埃開發板通過自己的 USB 連接連接到主機。
評估套件軟件由 Microchip 的 LoRa 開發套件組成，可從 Digi-Key 的 DV164140-2 產品頁面免費下載。該套件適用于 Mac、Windows 或 Linux 機器，設置了一個本地版本的 LoRaWAN 網絡服務器，無需外部網絡連接即可在主機操作系統下運行。該開發套件構建了一個自足式演示網絡，可以快速輕松地測試 LoRa 網絡。
在內部，LoRa 開發套件利用一個叫 Docker 的開源開發平臺運行容器化應用程序。Docker 允許 Oracle 虛擬機 (VM) 在 Windows、Mac 或 Linux 環境中運行（圖 9）。VM 托管 Docker Engine，反過來運行 LoRa 評估服務器。評估服務器通過以太網端口與網關板進行通信，網關板則通過 LoRa 鏈路將數據中繼到 RN 模塊。
圖 9：LoRa 網絡評估套件實現了在主機操作系統下運行的 LoRa 評估服務器。（圖片來源：Microchip Technology）
LoRa 開發實用程序在 Java 運行時環境（JRE）中運行，它們是一組能夠開發 Java 應用程序的軟件工具。該實用程序允許用戶執行一系列任務，例如：掃描網絡以獲取新終端設備；授予它們對網絡的訪問權；創建一個新的應用服務器；以及配置網絡（圖 10）。
圖 10：LoRa 開發實用程序可從評估套件產品頁面下載，能夠控制許多 LoRa 評估套件功能，包括網絡配置。（圖片來源：Microchip Technology）
LoRa 協議滿足了物聯網實現長距離、低功耗、低數據速率通信的重要需求。本文討論了能夠滿足這一需求的 LoRa 物理層和 LoRaWAN 規范，并重點介紹了一系列器件和工具包，幫助設計人員快速評估 LoRa 在一系列目標應用中的性能。
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