LoRaWAN、SIGFOX及Weightless-P 網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)

低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 已出現(xiàn)很長(zhǎng)時(shí)間，但對(duì)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 低成本連接及功耗和成本改進(jìn)的需求正引發(fā)對(duì) LPWAN 越來(lái)越多的關(guān)注。 硅技術(shù)的改進(jìn)已極大降低了功耗，可用于電池供電型無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。 這些節(jié)點(diǎn)利用次 GHz 非調(diào)節(jié)式無(wú)線電頻段進(jìn)行長(zhǎng)距離連接，比調(diào)節(jié)式蜂窩頻帶更具成本效益。

然而，推廣這些 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)需要其自身的基礎(chǔ)設(shè)施，后者至今仍然進(jìn)展緩慢。 但如今已到了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 使用次 GHz 頻段意味著支持大量無(wú)線節(jié)點(diǎn)需要的基站更少。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)人員現(xiàn)有多種選擇。 例如，Semtech 的 LoRa 技術(shù)可用于推出多個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)專用的私有 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)。 或者，諸如使用SIGFOX 之類的公共 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)，則可省去安裝、連接和管理基站。 同時(shí)人們也在通過(guò)新協(xié)議（如 Weightless）開(kāi)發(fā)其他 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)。 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)的選擇決定了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)無(wú)線收發(fā)器的選擇。

LoRaWAN 是一種低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 規(guī)范，主要用于區(qū)域性、全國(guó)性或全球性網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線電池供電型節(jié)點(diǎn)。 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)典型的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明的橋接，在終端設(shè)備和后臺(tái)中央網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間轉(zhuǎn)送訊息。 網(wǎng)關(guān)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) IP 連接與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接，而終端設(shè)備使用單跳無(wú)線通信連接到一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)。 所有節(jié)點(diǎn)的通信一般都是雙向的，但網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還支持諸如多播等工作 形式，可以實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線升級(jí)或其他大量分發(fā)訊息以減少空中通信時(shí)間。

圖 1： LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)從物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的加密路由。

節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間的通信使用擴(kuò)頻鏈接以不同的頻率通道和數(shù)據(jù)速率傳出去。 這樣就會(huì)創(chuàng)建一組“虛擬”通道，數(shù)據(jù)速率在 0.3 kbps 到 50 kbps 之間。 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過(guò)一個(gè)自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率 (ADR) 方案分別為每個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)管理數(shù)據(jù)速率和射頻輸出。

LoRaWAN 包含幾種不同類型的節(jié)點(diǎn)。 A 類節(jié)點(diǎn)使用最低功率，每個(gè)上行鏈路傳輸跟隨兩個(gè)短的下行鏈路接收窗口。 節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)隙是基于其自身通信需求，根據(jù)隨機(jī)時(shí)基有一個(gè)小的變化（ALOHA 類型協(xié)議）。 在其他任何時(shí)間，服務(wù)器下行鏈路通訊必須等下一個(gè)調(diào)度的上行鏈路。

B 類節(jié)點(diǎn)使用來(lái)自網(wǎng)關(guān)的時(shí)間同步信標(biāo)，提供額外的調(diào)度接收時(shí)隙。 這樣服務(wù)器就可以知道節(jié)點(diǎn)何時(shí)在偵聽(tīng)。 C 類節(jié)點(diǎn)包含開(kāi)放接收窗口，只在傳輸時(shí)關(guān)閉。

這些節(jié)點(diǎn)可通過(guò) Semtech 的 SX1272/73 收發(fā)器創(chuàng)建。 這些收發(fā)器通過(guò)擴(kuò)頻協(xié)議采用長(zhǎng)距離調(diào)制解調(diào)器，同時(shí)也提供高抗干擾能力并將電流消耗降至最低。

獲得專利的調(diào)制技術(shù)使用低成本晶體和物料即可實(shí)現(xiàn)超過(guò) -137 dBm 的靈敏度。 高靈敏度與集成 +20 dBm 功率放大器結(jié)合，帶來(lái)的是高達(dá) 157 dB 的鏈路預(yù)算能力，相對(duì)傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)（如 FSK 和 OOK）在阻塞和選擇性方面還具有顯著的優(yōu)勢(shì)。 使用擴(kuò)頻方法，不僅解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在范圍、抗干擾和能耗方面的折中問(wèn)題，同時(shí)設(shè)備也支持其他系統(tǒng)的高性能 FSK 和 GFSK 調(diào)制，包括 WMBus 和 IEEE802.15.4g。

圖 2： SX1272 可用于創(chuàng)建 LoRaWAN 低功耗長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。

SX1272 提供 125 kHz、250 kHz 和 500 kHz 三個(gè)通道寬度選項(xiàng)，擴(kuò)頻因子范圍在 6 到 12 之間。 SX1273 提供同樣的帶寬選項(xiàng)，但擴(kuò)頻因子范圍為 6 到 9 之間。 為實(shí)現(xiàn)最佳的靈活性，用戶可能需要考慮擴(kuò)頻調(diào)制帶寬 (BW)、擴(kuò)頻因子 (SF) 以及誤差校正率 (CR)。

另一種 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)由法國(guó)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商 SIGFOX 及其合作伙伴運(yùn)營(yíng)。

多個(gè)設(shè)備可用來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)。 例如，Microchip 的 ATA8520D 就是一種帶集成 AVR 微控制器的高度集成式、低功耗射頻收發(fā)器。 該設(shè)備分為三個(gè)部分：一個(gè)射頻前端、一個(gè)數(shù)字基帶和一個(gè)低功耗 8 位 AVR 微控制器（為 868.0 MHz 到 868.6 MHz 和 869.4 到 869.65 MHz 頻帶提供連接）。 SPI 接口可進(jìn)行外部控制和設(shè)備配置。

圖 3： ATA8520 使用 SPI 接口連接傳感器節(jié)點(diǎn)到 SIGFOX 長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)。

同樣，ON Semiconductor 的 AX?SIGFOX 開(kāi)發(fā)套件也是一個(gè)超低功耗單芯片解決方案，用于 SIGFOX 網(wǎng)絡(luò)上帶上行鏈路和下行鏈路功能的節(jié)點(diǎn)。 AX?SIGFOX 芯片完全可直接用于運(yùn)營(yíng)，同時(shí)還包含了傳輸和接收歐洲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的全部所需固件。

節(jié)點(diǎn)連接通過(guò)簡(jiǎn)單的 RS232 UART 實(shí)現(xiàn)，并使用 AT 命令發(fā)送幀和配置無(wú)線電參數(shù)。 開(kāi)發(fā)套件包括 AX?SIGFOX 全功能模塊，內(nèi)含網(wǎng)絡(luò)使用訂閱功能。

收發(fā)器采用 5 mm x 7 mm QFN40 封裝，提供 10 個(gè) GPIO 引腳，其中四個(gè)引腳帶有可選電壓測(cè)量功能。 這些引腳或是 1 V 或 10 V 范圍的差分輸入，或是 1 V 范圍的單端輸入，兩種均為 10 位分辨率。 其中兩個(gè)引腳帶有可選三角積分型 DAC 輸出功能，以便連接到節(jié)點(diǎn)中的傳感器。 其中三個(gè) GPIO 引腳也可選擇作為 SPI 主接口，用于控制節(jié)點(diǎn)中的其他設(shè)備。

圖 4： AX-SIGFOX 收發(fā)器提供靈活的 GPIO 引腳，可用于 SIGFOX 網(wǎng)絡(luò)上的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。

SIGFOX 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)之一在于可在云端管理數(shù)據(jù)，公司已與 Microsoft 合作，以便連接到 Azure 云存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理工具，實(shí)現(xiàn)大型數(shù)據(jù)部署。

Weightless-P 是一種更新的協(xié)議，剛剛獲得 ETSI 歐洲標(biāo)準(zhǔn)組織認(rèn)證，物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)人員可用其創(chuàng)建自己的 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)。 協(xié)議可在所有次 GHz 頻帶上運(yùn)行，但也可用于調(diào)節(jié)式蜂窩頻帶。 它使用 12.5 kHz 通道且通道分配靈活，以允許在大型部署中重復(fù)使用頻率，同時(shí) 200 bps 到 100 kbps 數(shù)據(jù)速率可最大化網(wǎng)絡(luò)容量。 該協(xié)議使用時(shí)間同步的基站以實(shí)現(xiàn)無(wú)線電資源調(diào)度和利用。

名為 Weightless Ignition Pack 的開(kāi)發(fā)套件提供了開(kāi)箱即用的 Weightless-P 網(wǎng)絡(luò)連接功能。 該套件包括 Weightless-P 基站、終端設(shè)備模塊、天線、基站的完整 Weightless-P 協(xié)議棧、終端設(shè)備和主機(jī)，以及全部所需線纜。 套件開(kāi)箱即可部署一個(gè) Weightless-P 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

總結(jié)

LPWAN 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的日漸流行的方法。 在節(jié)點(diǎn)中使用次 GHz 無(wú)線電頻帶和擴(kuò)頻協(xié)議以實(shí)現(xiàn)低功耗，可大大延長(zhǎng)電池壽命，從而降低成本。 同樣的次 GHz 頻帶還可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離，僅需幾個(gè)基站，就可在多個(gè)城鎮(zhèn)之間應(yīng)用數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)。 LoRaWAN、SIGFOX 或 Weightless-P 網(wǎng)絡(luò)為開(kāi)發(fā)人員提供了多種實(shí)施選擇，從創(chuàng)建專用網(wǎng)絡(luò)到在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)上爭(zhēng)取時(shí)間并連接到云分析。