用端到端入門套件加速 LoRaWAN 物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的發(fā)展

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)計者來說，都需要一個安全、堅固、低維護(hù)和相對容易部署的長距離無線接口。LoRaWAN 是這類應(yīng)用的不錯選擇，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)，但開發(fā)者始終需要一種方法來簡化部署和云連接。

對于剛接觸 LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的工程師來說，不僅需要設(shè)置無線終端設(shè)備，還需要連接網(wǎng)關(guān)和云物聯(lián)網(wǎng)平臺，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，說明該技術(shù)如何通過形成一個 LPWAN 將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端來補(bǔ)充短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。然后介紹并描述如何使用 DigiXON-9-L1-KIT-001 入門套件來設(shè)計、開發(fā)和配置基于工業(yè)平臺的 LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)解決方案。該套件包含一個多傳感器終端設(shè)備、一個多通道網(wǎng)關(guān)和一個設(shè)備到云的物聯(lián)網(wǎng)平臺。

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，使其不容易受到干擾，因此擴(kuò)大了傳輸范圍。DSSS 的缺點(diǎn)是需要一個精確度高（且昂貴）的參考時鐘。LoRa 線性調(diào)頻擴(kuò)頻（CSS） 技術(shù)提供了一種取消了時鐘的低成本、低功耗 DSSS 替代方案。CSS 通過產(chǎn)生一個頻率連續(xù)變化的線性調(diào)頻信號來傳播信號頻譜（圖 2）。

使用 CSS，發(fā)射器和接收器之間的定時和頻率偏移相等，這進(jìn)一步降低了接收器的設(shè)計復(fù)雜性。LoRa調(diào)制技術(shù)還包括一個可提高傳輸信號穩(wěn)健性的可變糾錯方案，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 500kHz 上行鏈路，從 903MHz 到 914.9MHz，遞增量為 1.6 MHz。八個下行鏈路寬為 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，但對于大多數(shù)應(yīng)用來說，20 dBm 發(fā)射功率就足夠了。根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會的規(guī)定，沒有占空比限制，但每通道有 400 ms 的最長駐留時間。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一種通過在節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)發(fā)信息以到達(dá)網(wǎng)絡(luò)邊緣來擴(kuò)大傳輸范圍的技術(shù)，但這種技術(shù)會增加復(fù)雜性，降低容量并縮短電池壽命。LoRaWAN沒有使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，而是采用了每個（長距離）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，一個節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常由多個網(wǎng)關(guān)接收。然后，每個網(wǎng)關(guān)通過某種形式的回程（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)必須能夠接收來自大量節(jié)點(diǎn)的信息。LoRaWAN通過采用自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率、能在多個通道上同時接收信息的網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)這種高容量。一個八通道網(wǎng)關(guān)可以支持每天幾十萬條信息。假設(shè)每個終端設(shè)備每天發(fā)送十條信息，則這類網(wǎng)關(guān)可支持大約10，000 個設(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。

用于快速原型開發(fā)的 LPWAN入門套件

LPWAN技術(shù)很復(fù)雜，對沒有經(jīng)驗(yàn)的工程師來說是個挑戰(zhàn)。開發(fā)者不僅要用安全、強(qiáng)大的連接來設(shè)置無線終端設(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。

使用諸如 Digi 的 XON-9-L1-KIT-001 等定制入門套件（圖 4），可以更加簡單地構(gòu)建端到端 LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)解決方案。有了這樣的入門套件，工程師可以迅速熟悉流程中的每個步驟并知道可以快速進(jìn)入下一階段。因此，非專業(yè)人士也能迅速構(gòu)建一個完整的 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 入門套件可支持 LoRaWAN A 類（最低功率、雙向終端設(shè)備）和 C類（最低延遲、終端設(shè)備接收器始終工作、雙向終端設(shè)備）。

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

HXG3000 網(wǎng)關(guān)通過 LoRaWAN 提供遠(yuǎn)距離、非視距雙向通信，每天可處理多達(dá) 150 萬條信息。該產(chǎn)品包括一個 1.7 dBm的全向無線電，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 902 MHz 至 928 MHz頻段運(yùn)行。該設(shè)備可采用交流電源或通過以太網(wǎng)供電 （PoE）。提供以太網(wǎng)和 LTE Cat M1 回程型號。

Digi 的 LoRaWAN 客戶端盾板是入門套件的一部分，能滿足工程師在 LoRaWAN 傳感器原型構(gòu)建和開發(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級微控制器開發(fā)板，以實(shí)現(xiàn) LoRaWAN 客戶端連接。除了Arduino可疊接連接器外，客戶端盾板還具有一個低功耗熱敏電阻溫度傳感器、數(shù)字輸入滑動開關(guān)和一個數(shù)字控制式紅、綠、藍(lán) （RGB） LED。該盾板上有一個 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 902 MHz 至 928 MHz 頻段運(yùn)行。TX 功率為14 至 20 dBm（圖 5）。

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

開發(fā)者通過該平臺能夠完成以下工作：

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

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

管理無線網(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，在多個云平臺之間獲得實(shí)時、雙向的設(shè)備數(shù)據(jù)

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

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

啟動 LoRaWAN 項(xiàng)目

由于客戶端盾板、STMicroelectronics Nucleo 和 Arduino 開發(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 入門套件啟動項(xiàng)目是相對簡單的。（ARM Keil Mbed 是一個基于 32 位 ARM KeilCortex M 級微控制器的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備平臺和操作系統(tǒng) （OS）。）客戶端盾板包括一種嵌入式 AT 指令語言和一個簡化型 ARM Keil Mbed C++嵌入式 API，旨在將設(shè)計復(fù)雜性抽象化，進(jìn)而簡化開發(fā)。

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

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

最快的開發(fā)路線是首先創(chuàng)建 Digi X-ON 賬戶。接下來，開發(fā)者需要注冊一個 Mbed 在線編譯器賬戶。然后，在開發(fā)板上安裝好客戶端盾板后，需要用USB 線將該組件連接與臺式電腦連接?？蛻舳硕馨迳系摹癙WR” LED 和開發(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)開發(fā)者通過一系列簡單的步驟將硬件平臺添加到編譯器中。一旦硬件添加完成，就可以從 Mbed資源庫（或其他庫）中的傳感器應(yīng)用示例將代碼導(dǎo)入編譯器，并下載到開發(fā)板中。編譯器也可以用來改變 LoRaWAN 的配置，如設(shè)備類別和網(wǎng)絡(luò)連接模式（圖 7）。

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

結(jié)語

對于物聯(lián)網(wǎng)檢測和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計者來說，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)到云端可能是一個挑戰(zhàn)。

如圖所示， Digi LoRaWAN 入門套件解決了許多此類問題。其特點(diǎn)包括：采用具有簡化型 ARM Keil Mbed C++ 嵌入式 API的客戶端盾板，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配置的 X-ON 設(shè)備到云平臺。使用該入門套件，開發(fā)者可以通過 LoRaWAN硬件原型快速啟動和運(yùn)行，開發(fā)和移植傳感器和執(zhí)行器的應(yīng)用代碼，并使用云平臺分析、展示數(shù)據(jù)。