基于 LoRa 的遠(yuǎn)距離無線連接設(shè)計

　　在需要低成本、遠(yuǎn)距離、低功耗無線連接的遠(yuǎn)距離檢測應(yīng)用中，LoRa 技術(shù)比藍(lán)牙和 Wi-Fi 等可供選擇的技術(shù)更受青睞。盡管如此，開發(fā)人員仍在努力解決射頻設(shè)計存在的細(xì)微差別，以便在不影響典型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可用的有限功率預(yù)算的情況下，有效、快速地實現(xiàn) LoRa 設(shè)計，最大限度提高檢測范圍和數(shù)據(jù)速率。

　　為了加快基于 LoRa 的設(shè)計，芯片供應(yīng)商開發(fā)了完整的系統(tǒng)級封裝 （SiP） 模塊及相關(guān)的 LoRaWAN 軟件堆棧，可作為遠(yuǎn)距離連接的近乎直接替代的解決方案。

　　本文首先會簡要討論 LoRa 方法，然后介紹合適的硬件和軟件解決方案，最后說明設(shè)計人員如何使用這些解決方案來快速啟動和運行設(shè)計。

　　遠(yuǎn)距離物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

　　LoRa（遠(yuǎn)距離的英文 long-range 的縮寫）定義了一種超高效、低成本、低功耗的專有擴頻無線電。由于 LoRa 能夠支持電池供電的傳感器和其他低功耗應(yīng)用，因此特別適合工作距離大于 Wi-Fi 或藍(lán)牙范圍的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用?；?LoRa 的設(shè)計只需一個小型電池就能運行多年，同時還能為延伸數(shù)公里的較大型網(wǎng)絡(luò)提供安全可靠的連接。

　　LoRaWAN 是一個位于 LoRa 無線電接口頂部的介質(zhì)訪問控制 （MAC） 層，用于定義網(wǎng)絡(luò)的運行方式并設(shè)置數(shù)據(jù)速率（通常高達(dá) 50 Kb/s）（參見 LoRaWAN 第 1 部分：如何讓物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn) 15 公里的無線連接范圍和 10 年的電池壽命）。LoRaWAN 廣域網(wǎng)架構(gòu)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，使用網(wǎng)關(guān)來中繼多個終端設(shè)備（如物聯(lián)網(wǎng)傳感器和主機服務(wù)器）之間的消息（圖 1）。LoRa 無線電可以單獨使用，帶有一個 LoRaWAN 替代 MAC 層，但該接口將不兼容 LoRaWAN 規(guī)范。

　　圖 1：LoRaWAN 規(guī)范規(guī)定了終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間經(jīng)過身份驗證的加密通信，使用網(wǎng)關(guān)與終端設(shè)備建立遠(yuǎn)距離連接，以及與云中或?qū)Ｓ铆h(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)主機建立廣域連接。（圖片來源：LoRa 聯(lián)盟）

　　在此架構(gòu)中，終端設(shè)備和主機服務(wù)器通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行通信，而網(wǎng)關(guān)設(shè)備可配置為僅當(dāng)做通信橋。為了與主機服務(wù)器通信，網(wǎng)關(guān)使用傳統(tǒng)的連接方式，如 Wi-Fi、以太網(wǎng)或蜂窩網(wǎng)絡(luò)。為了與終端設(shè)備通信，網(wǎng)關(guān)依靠 Semtech 專有的 LoRa 物理 （PHY） 層能力，使用千兆赫 （GHz） 以下的頻帶實現(xiàn)可靠的遠(yuǎn)距離連接。兩種情況下，LoRaWAN 均通過使用網(wǎng)絡(luò)會話或應(yīng)用會話密鑰以 AES 加密方式保護端到端通信，這些密鑰可在生產(chǎn)或調(diào)試期間生成，或通過無線 （OTA） 激活方式生成。

　　在 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)中，所有與終端設(shè)備的通信都是雙向通信，不過，LoRaWAN 協(xié)議規(guī)范規(guī)定了三種不同的終端設(shè)備類別，使開發(fā)人員基本上能夠在功耗與響應(yīng)延遲之間取得平衡。A 類終端設(shè)備只能在每次傳輸之后的兩個短下行鏈路接收窗口期間接收數(shù)據(jù)。因為能夠限制接收器的活動周期，所以 A 類設(shè)備非常適合功率受限的設(shè)備，如物聯(lián)網(wǎng)傳感器。B 類設(shè)備在 A 類設(shè)備基礎(chǔ)上增加了更多接收窗口。因此，此類設(shè)備適合需要以更短的延遲響應(yīng)主機請求的物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動裝置，甚至不惜以增加接收器功耗為代價。最后，C 類設(shè)備提供幾乎連續(xù)的開放接收窗口，非常適合在 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)中使用。

　　在尋求優(yōu)化 LoRaWAN 的安全性、功率縮減和遠(yuǎn)距離連接時，開發(fā)人員可能會發(fā)現(xiàn)，他們的工作進(jìn)度因配置硬件平臺和軟件系統(tǒng)所需的無數(shù)細(xì)節(jié)而被延誤。不過，Microchip Technology 的硬件和軟件簡化了 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)，為部署 LoRa 技術(shù)提供了近乎直接替代的解決方案。

　　低功耗集成解決方案

　　Microchip 的 SAM R34/35 系統(tǒng)級封裝 （SiP） 模塊集成了低功耗 Arm? Cortex?-M0+、Semtech SX1276 收發(fā)器、閃存、RAM、專用低功耗 （LP） RAM 以及傳感器系統(tǒng)通常需要的各種外設(shè)（圖 2）。除了定制的可配置邏輯模塊外，SAM 34/35 還包括多通道 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、模擬比較器和多個串行通信模塊，這些模塊經(jīng)過編程，以支持 I2C、SPI 和其他串行接口。SAM R34 SiP 和 R35 SiP 唯一不同的地方在于：R35 未配備 R34 所附帶的 USB 接口。除此之外，這些 6 x 6 毫米 （mm） SAM R34/35 模塊均相同，只是采用了三種不同的存儲器配置：

　　ATSAMR3xJ16BT-I/7JX，配備 64 KB 閃存、8 Kbit SRAM 和 4 KB 低功耗 SRAM

　　ATSAMR3xJ17BT-I/7JX，配備 128 KB 閃存、16 Kbit SRAM 和 8 KB 低功耗 SRAM

　　ATSAMR3xJ18BT-I/7JX，配備 256 KB 閃存、32 Kbit SRAM 和 4 KB 低功耗 SRAM

　　圖 2：Microchip Technology 的 SAM R34/R35 系統(tǒng)級封裝模塊集成了低功耗 Arm Cortex-M0 + 處理器內(nèi)核、Semtech SX1276 收發(fā)器、存儲器和多個外設(shè)（SAM R35 不包括 USB）。（圖片來源：Microchip Technology）

　　這些 SiP 模塊專為低功耗應(yīng)用而設(shè)計，提供多個軟件可選選項，以降低功能活動較少期間的功耗。開發(fā)人員可將 SAM R34/R35 設(shè)置為以兩個不同的性能級別運行。在較高性能級別 （PL2），器件內(nèi)核在最高電壓下工作，從而使器件能夠以高時鐘速度運行。在較低性能級別 （PL0），內(nèi)核的電壓水平可隨工作頻率的下降而調(diào)整，從而降低整體功耗。

　　在給定的性能級別，開發(fā)人員還可通過編程方式，將器件切換到以不同的功耗模式運行。在空閑模式下，模塊僅消耗 4.5 毫安 （mA） 電流，短期峰值需求在 Tx 時達(dá)到 28 mA，在 Rx 時達(dá)到 10.3 mA。通過將模塊置于待機模式，開發(fā)人員可將模塊的功耗降至 1.4 微安 （μA），這樣會關(guān)閉除專門設(shè)定為保持活動狀態(tài)外的所有時鐘和功能。此外，這些模塊還支持 SleepWalking 操作，此模式允許選定的外設(shè)獨立于處理器響應(yīng)事件，執(zhí)行外設(shè)操作，并且僅在需要時喚醒處理器。為降低長時間非活動期間的功耗，開發(fā)人員可將模塊置于休眠模式，在該模式下僅消耗 790 納安 （nA） 電流。Microchip 建議不要將器件置于關(guān)閉狀態(tài)，因為內(nèi)部 SPI 總線上的高阻抗會引起亞穩(wěn)態(tài)情況的發(fā)生。

　　設(shè)計實現(xiàn)

　　得益于模塊的集成功能，硬件接口要求非常簡單。除了 SAM R34/R35 SiP 的去耦電容外，開發(fā)人員只需添加一個信號開關(guān)（例如 Skyworks Solutions 的 SKY13373）以及完成發(fā)射和接收射頻信號路徑所需的無源元件便可（圖 3）。

　　圖 3：使用 Microchip Technology 的 R34/R35 模塊時，除射頻信號路徑所需的元件以及相關(guān)的射頻開關(guān)（如 Skyworks Solutions 的 SKY13373）外，開發(fā)人員只需額外添加少量元件即可。（圖片來源：Microchip Technology）

　　通過使用 Microchip Technology 的 DM320111 SAM R34 Xplained Pro 評估套件，開發(fā)人員甚至可以避免這些簡單的額外硬件要求。開發(fā)人員可使用該套件即刻評估 SAM R34，或擴展硬件參考設(shè)計來定制自己的器件。

　　Microchip 還可通過結(jié)合使用 SAM R34/R35 模塊固件和隨 Atmel Studio 7 集成開發(fā)環(huán)境提供的示例軟件，幫助加快軟件開發(fā)。SAM R34/R35 SiP 基于集成的 Semtech SX1276 LoRa 收發(fā)器和 PHY 而構(gòu)建，通過其內(nèi)置的 Microchip LoRaWAN 堆棧 （MLS）（圖 4）提供了一個認(rèn)證型 LoRaWAN 實現(xiàn)。

　　圖 4：Microchip LoRaWAN 堆棧 （MLS） 通過一組應(yīng)用編程接口 （API），為開發(fā)人員提供用于 MAC、PHY、永久存儲、電源管理等方面的固件服務(wù)。（圖片來源：Microchip Technology）

　　MLS 固件基于 Microchip 針對設(shè)備驅(qū)動程序和核心模塊的高級軟件框架 （ASF），為每項服務(wù)都提供了應(yīng)用編程接口 （API），具體包括：

　　LoRaWAN MAC，提供 LoRaWAN MAC 層功能

　　LoRaWAN 無線電層 （TAL），提供對 LoRa 收發(fā)器的訪問

　　永久數(shù)據(jù)服務(wù)器 （PDS），為閃存提供服務(wù)層，從而減少檢索 MLS 參數(shù)的訪問時間和訪問周期

　　電源管理器模塊 （PMM），在非活動期間將處理器置于休眠模式

　　硬件抽象層 （HAL），保護代碼不受硬件特性的影響

　　定時器庫

　　調(diào)度程序，將處理器資源分配給不同的模塊

　　使用 API 函數(shù)，開發(fā)人員可以對模塊功能的各個方面進(jìn)行精細(xì)控制。例如，要將模塊置于休眠模式，開發(fā)人員可調(diào)用 PMM API 函數(shù) PMM_Sleep（）。該函數(shù)采用一種包含休眠時間、休眠模式（空閑、待機、休眠或關(guān)閉）以及完成回調(diào)函數(shù)的休眠請求結(jié)構(gòu)（清單 1）。在應(yīng)用中，開發(fā)人員通常在每個任務(wù)之后調(diào)用此函數(shù)。例如，Microchip 的 ASF 發(fā)行版包括一個終端設(shè)備應(yīng)用示例，該示例在無限循環(huán)中使用此方法（清單 2）。每個 MLS API 都提供了與 MLS 固件服務(wù)相似的入口點。

　　/* Structure of sleep request */ typedef struct _PMM_SleepReq_t { /* Sleep time requested to PMM.Unit is milliseconds */ uint32_t sleepTimeMs;

　　/* Sleep Modes */ HAL_SleepMode_t sleep_mode; /* Callback from sleep request */ void （*pmmWakeupCallback）（uint32_t sleptDuration）;

　　} PMM_Sleep

　　清單 1：Microchip 高級軟件框架 （ASF） 發(fā)行版提供的示例軟件展示了關(guān)鍵設(shè)計模式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如此例中將 Microchip Technology SAM R34/R35 模塊置于休眠狀態(tài)所用的結(jié)構(gòu)。（代碼來源：Microchip Technology）

　　while （1） { serial_data_handler（）; SYSTEM_RunTasks（）;

　　#ifdef CONF_PMM_ENABLE if （false == certAppEnabled）

　　{ if（bandSelected == true）

　　{ PMM_SleepReq_t sleepReq; /* Put the application to sleep */ sleepReq.sleepTimeMs = DEMO_CONF_DEFAULT_APP_SLEEP_TIME_MS;

　　sleepReq.pmmWakeupCallback = appWakeup; sleepReq.sleep_mode = CONF_PMM_SLEEPMODE_WHEN_IDLE;

　　if （CONF_PMM_SLEEPMODE_WHEN_IDLE == SLEEP_MODE_STANDBY）

　　{ deviceResetsForWakeup = false; } if （true == LORAWAN_ReadyToSleep（deviceResetsForWakeup））

　　{ app_resources_uninit（）; if （PMM_SLEEP_REQ_DENIED == PMM_Sleep（&sleepReq））

　　{ HAL_Radio_resources_init（）; sio2host_init（）;

　　/*printf（“\r\nsleep_not_ok\r\n”）;*/ } } } } #endif } 。。。

　　清單 2：Microchip 示例軟件說明了開發(fā)人員如何在非活動期間使用若干 API 調(diào)用，將 Microchip Technology 的 SAM R34/R35 模塊恢復(fù)至低功耗狀態(tài)。（代碼來源：Microchip Technology）

　　通過 Studio 7 或單獨通過 ASF 發(fā)行版提供的示例代碼，全面展示了在實現(xiàn) LoRaWAN 應(yīng)用時使用 MLS API 調(diào)用的情況。終端設(shè)備實現(xiàn)的演示說明了重要的高級操作，包括通過從 PDS 永久數(shù)據(jù)服務(wù)器服務(wù)檢索以前存儲的 MLS 屬性和參數(shù)來對設(shè)備進(jìn)行初始化（清單 3）。另一示例軟件提供了一套測試?yán)?，允許開發(fā)人員檢查詳細(xì)的 LoRaWAN 性能特征，以及用于提取這些值的 MLS API 調(diào)用。通過將 Microchip 的示例軟件與 SAM R34 Xplained Pro 評估套件結(jié)合起來使用，開發(fā)人員可以快速獲得總體 LoRaWAN 操作經(jīng)驗，特別是 Microchip 固件服務(wù)經(jīng)驗。

　　/*********************************************************************//** \brief Initialization the Demo application

　　*************************************************************************/ void mote_demo_init（void）

　　{ bool status = false; /* Initialize the resources */ resource_init（）;

　　/* Read DEV EUI from EDBG */ dev_eui_read（）; startReceiving = false;

　　/* Initialize the LORAWAN Stack */ LORAWAN_Init（demo_appdata_callback，

　　demo_joindata_callback）;

　　printf（“\n\n\r*******************************************************\n\r”）;

　　printf（“\n\rMicrochip LoRaWAN Stack %s\r\n”，STACK_VER）;

　　printf（“\r\nInit - Successful\r\n”）; status = PDS_IsRestorable（）; if（status）

　　{ static uint8_t prevBand = 0xFF; uint8_t prevChoice = 0xFF; PDS_RestoreAll（）;

　　LORAWAN_GetAttr（ISMBAND，NULL，&prevBand）; for （uint32_t i = 0;

　　i 《 sizeof（bandTable） -1; i++）

　　{ if（bandTable［i］ == prevBand） { prevChoice = i; break; } } memset（rxchar，0，sizeof（rxchar））;

　　sio2host_rx（rxchar，10）; printf （“Last configured Regional band %s\r\n”，bandStrings［prevChoice］）;

　　printf（“Press any key to change band\r\n Continuing in %s in ”， bandStrings［prevChoice］）;

　　SwTimerStart（demoTimerId，MS_TO_US（1000），SW_TIMEOUT_RELATIVE，（void *）demoTimerCb，NULL）;

　　} else { appTaskState = DEMO_CERT_APP_STATE; appPostTask（DISPLAY_TASK_HANDLER）; } }

　　清單 3：此代碼片段取自 Microchip 的終端設(shè)備示例應(yīng)用，展示了與初始化設(shè)備相關(guān)的基本設(shè)計模式，包括從 PDS 永久數(shù)據(jù)服務(wù)器還原可用的 LoRaWAN 屬性 （PDS_IsRestorable（））。（代碼來源：Microchip Technology）

　　總結(jié)

　　LoRa 技術(shù)特別適合解決電池供電的物聯(lián)網(wǎng)傳感器對遠(yuǎn)距離連接的新興需求。但在過去，開發(fā)人員需要從事大量的硬件和軟件子系統(tǒng)開發(fā)。Microchip 的 SAM R34/R35 SiP 模塊憑借集成的硬件和固件，有效地消除了與早期方法相關(guān)的許多詳細(xì)設(shè)計要求。通過將 Microchip 基于 LoRaWAN 的硬件與軟件結(jié)合起來使用，開發(fā)人員可快速實現(xiàn)電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和低功耗網(wǎng)關(guān)，從而能夠與云中或?qū)Ｓ铆h(huán)境中的主機服務(wù)器完成安全的遠(yuǎn)距離通信。