使用 LoRa 進行低速率、長距離物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)

設(shè)計人員可以使用各種各樣的無線技術(shù)將產(chǎn)品連接到物聯(lián)網(wǎng) (IoT)。每種技術(shù)適用于不同的應(yīng)用，需要設(shè)計人員仔細考慮作用距離和數(shù)據(jù)速率、成本、功耗、體積和外形等因素。

本文將介紹 LoRa 協(xié)議，比較其相對其他協(xié)議的優(yōu)勢，并介紹幾種產(chǎn)品和開發(fā)工具包，讓工程師們快速開發(fā)出基于 LoRa 的系統(tǒng)。

無線物聯(lián)網(wǎng)折衷考量

每種無線技術(shù)都有其強弱點。例如，標準 Wi-Fi 可以高速傳輸大量數(shù)據(jù)，但作用距離有限。蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了高速和遠距離優(yōu)勢，但功率不足。

像遠程數(shù)據(jù)采集、城市照明控制、天氣監(jiān)測和農(nóng)業(yè)這樣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用擁有不同的優(yōu)先級組合。在這些應(yīng)用中，像天氣條件、土壤含水量或路燈開關(guān)之類數(shù)量測量或控制，在較長的時間內(nèi)變化都很慢。

此外，傳感器節(jié)點往往會相距幾英里，并且由電池供電，因此最佳的無線協(xié)議必須能夠以最小功耗長距離發(fā)送小數(shù)據(jù)包。LoRa 協(xié)議正是因應(yīng)此類要求而設(shè)計的。

LoRa 技術(shù)概覽

LoRa 針對的是低功率、廣域網(wǎng)（LPWAN）應(yīng)用。其作用距離超過 15 公里，連接節(jié)點可達 100 萬個。低功耗與長距離極限的組合可將最大數(shù)據(jù)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(shù)，運行在 ISM 頻段。根據(jù)地區(qū)的不同，ISM 的頻率分配和監(jiān)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(qū)，特別是亞洲地區(qū)也有不同的要求。

歐洲北美頻段867-869 MHz902-328 MHz頻道數(shù)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(fā)射功率+14 dBm+ 20 dBm（典型值）（允許 +30 dBm）下行發(fā)射功率+14 dBm+27 dBmSF 范圍7-127-10數(shù)據(jù)速率250 bps - 50 kbps980 bps - 21.9 kbps上行鏈路預(yù)算155 dB154 dB下行鏈路預(yù)算155 dB157 dB

圖 1：兩個廣泛使用 ISM 頻段的地區(qū)歐洲和美國的 LoRa 規(guī)范比較。（圖片來源：LoRa 聯(lián)盟）

LoRa 物理層使用擴頻調(diào)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(tǒng)將輸入數(shù)據(jù)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(qū)管制機構(gòu)確定。例如，北美規(guī)定帶寬為 500 kHz，擴頻因子為 7 到 10。

由于采用擴頻技術(shù)，不同數(shù)據(jù)速率的消息是正交的，并且通過創(chuàng)建一組“虛擬”頻道，增加了網(wǎng)關(guān)容量，因而彼此相互不干擾。

LoRa 方案基于稱為線性調(diào)頻擴頻 (CSS) 調(diào)制的 SSM 變體（圖 3）。CSS 使用“線性調(diào)頻”對數(shù)據(jù)進行編碼，基本上是一種隨時間增減的寬帶調(diào)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(xiàn)如這里所示的線性關(guān)系。（圖片來源：維基百科）

CSS 非常適合需要低功率消耗的低數(shù)據(jù)速率（<1 Mb/s）應(yīng)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(wǎng) (LR-WPAN) 中所用的技術(shù)。CSS 已經(jīng)使用了許多年，在軍事和空間應(yīng)用中提供穩(wěn)健的長距離通信，但是 LoRa 是第一個低成本的商業(yè)實現(xiàn)。

LoRaWAN 和 LoRa 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LoRaWAN 規(guī)范定義了 LPWAN 的媒體訪問控制 (MAC) 層。LoRaWAN 在 LoRa 物理層之上實現(xiàn)，并指定了通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這些功能對多個性能參數(shù)有很大的影響，其中包括：

節(jié)點的電池壽命

網(wǎng)絡(luò)容量

網(wǎng)絡(luò)安全

所服務(wù)的應(yīng)用

LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使用星形拓撲結(jié)構(gòu)，其中每個端節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與多個網(wǎng)關(guān)進行通信。

LoRa 網(wǎng)絡(luò)有四個要素（圖 4）：

端節(jié)點收集傳感器數(shù)據(jù)，將其傳輸至上游，并從應(yīng)用服務(wù)器接收下游通信數(shù)據(jù)。端點設(shè)備使用單跳無線通信方式與一個或多個網(wǎng)關(guān)進行通信。

集中器/網(wǎng)關(guān)充當(dāng)透明網(wǎng)橋，并在端節(jié)點和上游服務(wù)器之間中繼轉(zhuǎn)發(fā)雙向數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過有線或無線式安全 TCP/IP 連接與多個網(wǎng)關(guān)連接；消除了重復(fù)消息；決定哪個網(wǎng)關(guān)應(yīng)該響應(yīng)端節(jié)點消息；并使用自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率 (ADR) 方案管理端節(jié)點數(shù)據(jù)速率，以最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)容量并延長端節(jié)點的電池壽命。

應(yīng)用服務(wù)器會收集和分析端節(jié)點的數(shù)據(jù)，并確定端節(jié)點的動作。

圖 4：LoRa 網(wǎng)絡(luò)有四個主要塊和兩個安全層。（圖片來源：LoRa 聯(lián)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(xié)議，如 ZigBee，采用網(wǎng)狀拓撲，其中各個端節(jié)點從其他端節(jié)點接收和重發(fā)信息。這種方法增加了網(wǎng)絡(luò)的范圍和蜂窩的大小，但是增加通信開銷也增加了復(fù)雜性，降低了網(wǎng)絡(luò)容量，并增加了各個節(jié)點的功耗。

LoRa 端節(jié)點分類

端節(jié)點設(shè)備有三類。所有三個類均允許雙向通信，并且可以經(jīng)由網(wǎng)關(guān)啟動到服務(wù)器的上行鏈路。它們在接收傳入的服務(wù)器消息時有所不同。

LoRaWAN A 類設(shè)備的功耗最小。結(jié)束節(jié)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(wù)器的通信數(shù)據(jù)。在任何其他時間，來自服務(wù)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(shè)備是異步的。端點只要有數(shù)據(jù)發(fā)送就會開始傳輸，然后等待預(yù)設(shè)時間并偵聽響應(yīng)。

LoRa B 類設(shè)備提供 A 類功能，但也可以在預(yù)定時間打開額外的接收窗口。為了與網(wǎng)絡(luò)同步，B 類節(jié)點每隔 128 秒即會從網(wǎng)關(guān)接收時間同步信標。在這個 128 秒內(nèi)，該設(shè)備會分配一個時隙，讓服務(wù)器知道終端設(shè)備何時正在偵聽。

LoRa C 類設(shè)備提供幾乎連續(xù)開放的接收窗口。窗口僅在端點傳輸期間關(guān)閉。C 類設(shè)備適用于需要接收大量數(shù)據(jù)而不是發(fā)送數(shù)據(jù)的情形。

LoRaWAN 安全

強大的安全性是任何 LPWAN 設(shè)計的關(guān)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(wǎng)絡(luò)會話密鑰 (NwkSKey) 和一個應(yīng)用會話密鑰 (AppSKey)（圖 5）。

圖 5：從 LoRa 終端設(shè)備到應(yīng)用的數(shù)據(jù)流在鏈路的開始和結(jié)束處包括了加密和解密，因此只有端點傳感器和應(yīng)用可以訪問純文本數(shù)據(jù)。（圖片來源：Microchip Technology）

網(wǎng)絡(luò)安全層確保了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的真?zhèn)?，?yīng)用安全層確保了網(wǎng)絡(luò)運營商無權(quán)訪問終端用戶的應(yīng)用數(shù)據(jù)。

部署密鑰有兩種方法：

個性化激活（ABP）：此時，LoRaWAN 終端設(shè)備可以使用特定 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)的驗證信息進行工廠編程。

空中激活（OTAA）：這種方法使用應(yīng)用 ID、唯一設(shè)備 ID 和網(wǎng)絡(luò)指定設(shè)備地址來派生出 NwkSKey 和 AppSKey。首選這種方法，因為密鑰不是預(yù)先確定的，且可以重新生成。

啟動 LoRa 開發(fā)

制造商為設(shè)計人員提供了一系列 LoRa 選擇，集成程度不一，從單個設(shè)備到完整的開發(fā)套件。

Semtech Corporation 的SX1279單芯片 LoRa 收發(fā)器可以覆蓋歐洲和北美 ISM 頻段（圖 6）。根據(jù)適用的法規(guī)，該設(shè)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(yīng)用提供了RN2483，并為北美 915 MHz 應(yīng)用提供了RN2903LoRa（圖 7）。這兩個模塊均包含一個帶有 LoRa 協(xié)議棧的應(yīng)用特定微控制器、一個符合 LoRa 標準的無線電收發(fā)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(shù)字傳感器輸入、開關(guān)或狀態(tài)指示燈的輸入/輸出（I/O）引腳。

這些模塊旨在作為 A 類設(shè)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(xiàn)長距離操作，并具有 -146 dBm 的接收靈敏度。

圖 7：典型的 RN2903 端節(jié)點可以同時包括輸入和輸出功能?？蛇x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(diào)制解調(diào)器的 A 類終端設(shè)備DM164139塵埃。塵埃是一個獨立的電池供電型節(jié)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(shù)據(jù)傳輸可以通過按鈕按下激活，或按固定計劃發(fā)送。有一個 LCD 用來顯示諸如連接狀態(tài)、傳感器值或下行鏈路數(shù)據(jù)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(shè)置和控制板載 LoRaWAN 協(xié)議棧。

RN2483 調(diào)制解調(diào)器有自己的塵埃板DM164138。

最后，Microchip 的DV164140-2LoRa 網(wǎng)絡(luò)評估套件還包括兩個 RN2903 塵埃板和一個網(wǎng)關(guān)板（圖 8）。這樣設(shè)計人員就可以輕松評估全套 915 MHz LoRa 系統(tǒng)的功能。姊妹套件DV164140-1覆蓋 868 MHz 應(yīng)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(wǎng)關(guān)核心板和無線電板（從左到右）。（圖片來源：Microchip Technology）

網(wǎng)關(guān)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(shù)據(jù)的 SD 卡、一個以太網(wǎng)連接、一個天線和全波段捕獲無線電。

網(wǎng)關(guān)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(wǎng)（LAN）連接器之間連接有一根以太網(wǎng)電纜，用于在網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間進行通信。

塵埃開發(fā)板通過自己的 USB 連接連接到主機。

網(wǎng)絡(luò)評估套件軟件

評估套件軟件由 Microchip 的 LoRa 開發(fā)套件組成，可從 Digi-Key 的 DV164140-2產(chǎn)品頁面免費下載。該套件適用于 Mac、Windows 或 Linux 機器，設(shè)置了一個本地版本的 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，無需外部網(wǎng)絡(luò)連接即可在主機操作系統(tǒng)下運行。該開發(fā)套件構(gòu)建了一個自足式演示網(wǎng)絡(luò)，可以快速輕松地測試 LoRa 網(wǎng)絡(luò)。

在內(nèi)部，LoRa 開發(fā)套件利用一個叫 Docker 的開源開發(fā)平臺運行容器化應(yīng)用程序。Docker 允許 Oracle 虛擬機 (VM) 在 Windows、Mac 或 Linux 環(huán)境中運行（圖 9）。VM 托管 Docker Engine，反過來運行 LoRa 評估服務(wù)器。評估服務(wù)器通過以太網(wǎng)端口與網(wǎng)關(guān)板進行通信，網(wǎng)關(guān)板則通過 LoRa 鏈路將數(shù)據(jù)中繼到 RN 模塊。

圖 9：LoRa 網(wǎng)絡(luò)評估套件實現(xiàn)了在主機操作系統(tǒng)下運行的 LoRa 評估服務(wù)器。（圖片來源：Microchip Technology）

LoRa 開發(fā)實用程序在 Java 運行時環(huán)境（JRE）中運行，它們是一組能夠開發(fā) Java 應(yīng)用程序的軟件工具。該實用程序允許用戶執(zhí)行一系列任務(wù)，例如：掃描網(wǎng)絡(luò)以獲取新終端設(shè)備；授予它們對網(wǎng)絡(luò)的訪問權(quán)；創(chuàng)建一個新的應(yīng)用服務(wù)器；以及配置網(wǎng)絡(luò)（圖 10）。

圖 10：LoRa 開發(fā)實用程序可從評估套件產(chǎn)品頁面下載，能夠控制許多 LoRa 評估套件功能，包括網(wǎng)絡(luò)配置。（圖片來源：Microchip Technology）

結(jié)論

LoRa 協(xié)議滿足了物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)長距離、低功耗、低數(shù)據(jù)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(guī)范，并重點介紹了一系列器件和工具包，幫助設(shè)計人員快速評估 LoRa 在一系列目標應(yīng)用中的性能。

作者：Paul Pickering