投稿人：DigiKey

遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制應(yīng)用涵蓋從農(nóng)業(yè)、采礦業(yè)到智慧城市的眾多應(yīng)用，對(duì)于這些應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng) （IoT）傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，都需要一個(gè)安全、堅(jiān)固、低維護(hù)和相對(duì)容易部署的長(zhǎng)距離無(wú)線接口。LoRaWAN 是這類(lèi)應(yīng)用的不錯(cuò)選擇，它在農(nóng)村的視距連接范圍可達(dá)15 km，在城市地區(qū)可達(dá) 5 km——使用電池壽命可持續(xù) 10 年的終端設(shè)備。

雖然 LoRaWAN 是一種成熟的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò) （LPWAN） 技術(shù)，但開(kāi)發(fā)者始終需要一種方法來(lái)簡(jiǎn)化部署和云連接。

對(duì)于剛接觸 LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的工程師來(lái)說(shuō)，不僅需要設(shè)置無(wú)線終端設(shè)備，還需要連接網(wǎng)關(guān)和云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，處理由此造成的復(fù)雜性是他們面臨的難題。有了供應(yīng)商的入門(mén)套件，這些工作就容易多了，這些套件包括了構(gòu)建和運(yùn)行原型所需的一切。

本文將介紹 LoRaWAN，說(shuō)明該技術(shù)如何通過(guò)形成一個(gè) LPWAN 將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端來(lái)補(bǔ)充短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。然后介紹并描述如何使用 DigiXON-9-L1-KIT-001 入門(mén)套件來(lái)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和配置基于工業(yè)平臺(tái)的 LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)解決方案。該套件包含一個(gè)多傳感器終端設(shè)備、一個(gè)多通道網(wǎng)關(guān)和一個(gè)設(shè)備到云的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

什么是 LoRa 和 LoRaWAN？

LoRaWAN 是一種用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的 LPWAN 技術(shù)，其特點(diǎn)是數(shù)十公里覆蓋距離、低吞吐量（250 bits/s 至 50 Kbits/s，具體取決于載波頻率）以及極低功耗（電池壽命可達(dá)十年，視具體應(yīng)用而定）。表 1 對(duì)LoRaWAN 與其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了比較。

LoRa 規(guī)范定義了支撐 LoRaWAN 的物理層 （PHY） 和調(diào)制技術(shù)。協(xié)議棧的媒體訪問(wèn)控制 （MAC） 層由 LoRaWAN 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（圖 1）。

該技術(shù)傳輸范圍的關(guān)鍵是使用一種改良形式的直接序列擴(kuò)頻 （DSSS） 調(diào)制方法。DSSS在比原始信息帶寬更寬的帶寬上傳播信號(hào)，使其不容易受到干擾，因此擴(kuò)大了傳輸范圍。DSSS 的缺點(diǎn)是需要一個(gè)精確度高（且昂貴）的參考時(shí)鐘。LoRa 線性調(diào)頻擴(kuò)頻（CSS） 技術(shù)提供了一種取消了時(shí)鐘的低成本、低功耗 DSSS 替代方案。CSS 通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)頻率連續(xù)變化的線性調(diào)頻信號(hào)來(lái)傳播信號(hào)頻譜（圖 2）。

使用 CSS，發(fā)射器和接收器之間的定時(shí)和頻率偏移相等，這進(jìn)一步降低了接收器的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。LoRa調(diào)制技術(shù)還包括一個(gè)可提高傳輸信號(hào)穩(wěn)健性的可變糾錯(cuò)方案，進(jìn)一步擴(kuò)大了傳輸范圍。這樣，發(fā)射器 （Tx） 功率和接收器 （Rx） 靈敏度（以“分貝毫瓦dBm”為單位）鏈路預(yù)算結(jié)果約為 154 dBm，使得單個(gè)網(wǎng)關(guān)或基站就能夠覆蓋整座城市。

在北美地區(qū)，LoRaWAN 使用 902 至 928 MHz 工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 頻譜分配方案。該無(wú)線協(xié)議定義了 64 x 125 kHz上行鏈路，從 902.3 MHz 到 914.9 MHz，遞增量為 200 kHz。還有 8 個(gè) 500kHz 上行鏈路，從 903MHz 到 914.9MHz，遞增量為 1.6 MHz。八個(gè)下行鏈路寬為 500kHz，從 923.3 MHz 到 927.5 MHz。北美地區(qū)的最大發(fā)射 （TX） 功率為 30dBm，但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，20 dBm 發(fā)射功率就足夠了。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)的規(guī)定，沒(méi)有占空比限制，但每通道有 400 ms 的最長(zhǎng)駐留時(shí)間。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一種通過(guò)在節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)發(fā)信息以到達(dá)網(wǎng)絡(luò)邊緣來(lái)擴(kuò)大傳輸范圍的技術(shù)，但這種技術(shù)會(huì)增加復(fù)雜性，降低容量并縮短電池壽命。LoRaWAN沒(méi)有使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，而是采用了每個(gè)（長(zhǎng)距離）節(jié)點(diǎn)都直接與網(wǎng)關(guān)連接的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)不與特定的網(wǎng)關(guān)相關(guān)聯(lián)。相反，一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常由多個(gè)網(wǎng)關(guān)接收。然后，每個(gè)網(wǎng)關(guān)通過(guò)某種形式的回程（通常是蜂窩、以太網(wǎng)、衛(wèi)星或Wi-Fi）將從終端節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到基于云的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上（圖 3）。

為了使長(zhǎng)距離的星形網(wǎng)絡(luò)切實(shí)可行，網(wǎng)關(guān)必須能夠接收來(lái)自大量節(jié)點(diǎn)的信息。LoRaWAN通過(guò)采用自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率、能在多個(gè)通道上同時(shí)接收信息的網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種高容量。一個(gè)八通道網(wǎng)關(guān)可以支持每天幾十萬(wàn)條信息。假設(shè)每個(gè)終端設(shè)備每天發(fā)送十條信息，則這類(lèi)網(wǎng)關(guān)可支持大約10，000 個(gè)設(shè)備。如果需要更多的容量，可以在網(wǎng)絡(luò)中增加網(wǎng)關(guān)數(shù)量。

用于快速原型開(kāi)發(fā)的 LPWAN入門(mén)套件

LPWAN技術(shù)很復(fù)雜，對(duì)沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的工程師來(lái)說(shuō)是個(gè)挑戰(zhàn)。開(kāi)發(fā)者不僅要用安全、強(qiáng)大的連接來(lái)設(shè)置無(wú)線終端設(shè)備，還要將其與網(wǎng)關(guān)連接，將其作為網(wǎng)絡(luò)的一部分，再連接云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

使用諸如 Digi 的 XON-9-L1-KIT-001 等定制入門(mén)套件（圖 4），可以更加簡(jiǎn)單地構(gòu)建端到端 LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)解決方案。有了這樣的入門(mén)套件，工程師可以迅速熟悉流程中的每個(gè)步驟并知道可以快速進(jìn)入下一階段。因此，非專(zhuān)業(yè)人士也能迅速構(gòu)建一個(gè)完整的 LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)解決方案原型。

LoRa 的特點(diǎn)是將網(wǎng)絡(luò)下行鏈路延遲與電池壽命進(jìn)行權(quán)衡；Digi 入門(mén)套件可支持 LoRaWAN A 類(lèi)（最低功率、雙向終端設(shè)備）和 C類(lèi)（最低延遲、終端設(shè)備接收器始終工作、雙向終端設(shè)備）。

該入門(mén)套件提供了快速、安全地構(gòu)建 LoRaWAN 原型所需的一切。具體來(lái)說(shuō)，該套件包括一個(gè)上行/下行鏈路、一個(gè)帶有 LoRaWAN模塊的擴(kuò)展板或“客戶(hù)端盾板”、一個(gè) LED、一個(gè)數(shù)字輸入、溫度傳感器、一個(gè) Digi 8 通道 LoRaWAN HXG3000以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、一個(gè)嵌入式開(kāi)發(fā)者應(yīng)用編程接口 （API） 以及一個(gè)具有掃描即用型移動(dòng)配置的設(shè)備到云平臺(tái) 30 天免費(fèi)試用賬戶(hù)。

HXG3000 網(wǎng)關(guān)通過(guò) LoRaWAN 提供遠(yuǎn)距離、非視距雙向通信，每天可處理多達(dá) 150 萬(wàn)條信息。該產(chǎn)品包括一個(gè) 1.7 dBm的全向無(wú)線電，具有高達(dá) 27 dBm 的 Tx 功率和 -138 dBm 的 Rx 靈敏度。在免許可的美國(guó) 902 MHz 至 928 MHz頻段運(yùn)行。該設(shè)備可采用交流電源或通過(guò)以太網(wǎng)供電 （PoE）。提供以太網(wǎng)和 LTE Cat M1 回程型號(hào)。

Digi 的 LoRaWAN 客戶(hù)端盾板是入門(mén)套件的一部分，能滿(mǎn)足工程師在 LoRaWAN 傳感器原型構(gòu)建和開(kāi)發(fā)方面的需求。該器件可連接選定的兼容型STMicroelectronics Nucleo（例如 NUCLEO-L053R8）和 Arduino ARM Keil? Cortex?-M級(jí)微控制器開(kāi)發(fā)板，以實(shí)現(xiàn) LoRaWAN 客戶(hù)端連接。除了Arduino可疊接連接器外，客戶(hù)端盾板還具有一個(gè)低功耗熱敏電阻溫度傳感器、數(shù)字輸入滑動(dòng)開(kāi)關(guān)和一個(gè)數(shù)字控制式紅、綠、藍(lán) （RGB） LED。該盾板上有一個(gè) U.FL連接器，相關(guān)的天線也作為套件的一部分包含在內(nèi)。該盾板還集成了 LoRaWAN 模塊，可在免許可的美國(guó) 902 MHz 至 928 MHz 頻段運(yùn)行。TX 功率為14 至 20 dBm（圖 5）。

Digi X-ON 是一個(gè)完整的、用于物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的設(shè)備到云平臺(tái)。該平臺(tái)同時(shí)提供了一個(gè)集開(kāi)發(fā)和運(yùn)行于一體的云解決方案。X-ON 集成了一個(gè)集成式LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，并與服務(wù)器連接以支持運(yùn)行 LoRaWAN無(wú)線協(xié)議的設(shè)備和網(wǎng)關(guān)。這種連接服務(wù)器會(huì)處理連接流程，包括網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用服務(wù)器認(rèn)證和生成會(huì)話(huà)密鑰。

開(kāi)發(fā)者通過(guò)該平臺(tái)能夠完成以下工作：

從網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)界面配置、監(jiān)測(cè)和診斷設(shè)備或網(wǎng)關(guān)

用配置應(yīng)用程序自動(dòng)部署設(shè)備和網(wǎng)關(guān)

管理無(wú)線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)

直接從終端設(shè)備收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)

使用云間 API，在多個(gè)云平臺(tái)之間獲得實(shí)時(shí)、雙向的設(shè)備數(shù)據(jù)

記錄和跟蹤實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，以便與終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行互動(dòng)操作和故障排除

通過(guò)開(kāi)放式 API 整合數(shù)據(jù)，以便與第三方實(shí)用程序開(kāi)發(fā)更復(fù)雜的應(yīng)用（圖 6）。

啟動(dòng) LoRaWAN 項(xiàng)目

由于客戶(hù)端盾板、STMicroelectronics Nucleo 和 Arduino 開(kāi)發(fā)板使用嵌入式 ARM Keil 微控制器，而“ARM Keil的 Mbed enabled”也是如此，因此使用 Digi 入門(mén)套件啟動(dòng)項(xiàng)目是相對(duì)簡(jiǎn)單的。（ARM Keil Mbed 是一個(gè)基于 32 位 ARM KeilCortex M 級(jí)微控制器的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備平臺(tái)和操作系統(tǒng) （OS）。）客戶(hù)端盾板包括一種嵌入式 AT 指令語(yǔ)言和一個(gè)簡(jiǎn)化型 ARM Keil Mbed C++嵌入式 API，旨在將設(shè)計(jì)復(fù)雜性抽象化，進(jìn)而簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)。

借助 Digi LoRaWAN 入門(mén)套件的 Mbed 兼容性，應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作能夠使用 ARM Keil 的 Mbed在線資源。這些資源包括三個(gè)選項(xiàng)。Mbed 在線編譯器使開(kāi)發(fā)者無(wú)需進(jìn)行任何安裝，就能立即開(kāi)始應(yīng)用開(kāi)發(fā)。唯一需要的只是一個(gè) Mbed 賬戶(hù)。

對(duì)于更高級(jí)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，可以將 Digi LoRaWAN 入門(mén)套件與 Mbed Studio 連接，這是一個(gè)用于構(gòu)建、編譯和調(diào)試 Mbed程序的桌面集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 （IDE）。最后是 Mbed CLI，這是一個(gè)可以集成到開(kāi)發(fā)者首選的 IDE 中的指令行工具。

最快的開(kāi)發(fā)路線是首先創(chuàng)建 Digi X-ON 賬戶(hù)。接下來(lái)，開(kāi)發(fā)者需要注冊(cè)一個(gè) Mbed 在線編譯器賬戶(hù)。然后，在開(kāi)發(fā)板上安裝好客戶(hù)端盾板后，需要用USB 線將該組件連接與臺(tái)式電腦連接?？蛻?hù)端盾板上的“PWR” LED 和開(kāi)發(fā)板上的 “COM” LED 將點(diǎn)亮，表明電子裝置已經(jīng)通電。

然后，Mbed 在線編譯器引導(dǎo)開(kāi)發(fā)者通過(guò)一系列簡(jiǎn)單的步驟將硬件平臺(tái)添加到編譯器中。一旦硬件添加完成，就可以從 Mbed資源庫(kù)（或其他庫(kù)）中的傳感器應(yīng)用示例將代碼導(dǎo)入編譯器，并下載到開(kāi)發(fā)板中。編譯器也可以用來(lái)改變 LoRaWAN 的配置，如設(shè)備類(lèi)別和網(wǎng)絡(luò)連接模式（圖 7）。

只要網(wǎng)關(guān)在運(yùn)行，客戶(hù)端盾板/開(kāi)發(fā)板就會(huì)連接網(wǎng)絡(luò)，并開(kāi)始每 15 秒發(fā)送一次上行鏈路（默認(rèn)模式下）。在 X-ON帳戶(hù)頁(yè)面，只要按下“流”按鈕，從設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就會(huì)顯示在屏幕上。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，LoRaWAN可以實(shí)現(xiàn)免許可射頻接入、數(shù)十公里的傳輸距離、低功耗、良好的安全性和可擴(kuò)展性，以及強(qiáng)大的連接。但是，像許多物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線協(xié)議一樣，處理終端設(shè)備的連接、配置、網(wǎng)關(guān)以及將傳感器數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)到云端可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。

如圖所示， Digi LoRaWAN 入門(mén)套件解決了許多此類(lèi)問(wèn)題。其特點(diǎn)包括：采用具有簡(jiǎn)化型 ARM Keil Mbed C++ 嵌入式 API的客戶(hù)端盾板，具有以太網(wǎng)回程的 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)，以及具有掃描即用型移動(dòng)配置的 X-ON 設(shè)備到云平臺(tái)。使用該入門(mén)套件，開(kāi)發(fā)者可以通過(guò) LoRaWAN硬件原型快速啟動(dòng)和運(yùn)行，開(kāi)發(fā)和移植傳感器和執(zhí)行器的應(yīng)用代碼，并使用云平臺(tái)分析、展示數(shù)據(jù)。