如何克服LoRa終端節(jié)點設計中的挑戰(zhàn)？

LoRa?（遠距離）技術可將遠距離無線連接與低功耗性能相結合，從而擴展物聯網（IoT）的覆蓋范圍。從智慧城市到智慧農業(yè)再到供應鏈跟蹤，LoRa可滿足各種需求，非常適合用于構建在城市和郊區(qū)環(huán)境中均可運行的靈活IoT網絡。

但是，要開發(fā)一個全新的LoRa解決方案或移植到一個全新的LoRa解決方案，難度究竟如何？

這需要對全新的無線技術有所了解，并能夠挑選出適合您應用的解決方案，整個過程可能會讓人心力交瘁。無線射頻（RF）設計通常需要深入的RF專業(yè)知識，而且會占用設計人員大量的開發(fā)時間。

本文將介紹LoRa網絡架構的四個主要元素，并詳細討論設計人員在開發(fā)LoRa終端節(jié)點時面臨的一些最常見的挑戰(zhàn)。我們還會介紹在幫助克服這些挑戰(zhàn)并縮短上市時間方面，經過法規(guī)認證的LoRa模塊有何作用。

LoRaWAN網絡架構

LoRa是一種無線調制技術，也是物理層，支持低功耗終端設備進行遠距離通信。LoRaWAN是一種無線聯網協(xié)議，用作介質訪問控制（MAC）層，并在LoRa物理層之上實現。LoRaWAN規(guī)范詳細說明了通信協(xié)議和網絡架構，旨在確保終端設備之間的安全通信以及網絡內的互操作性。

LoRa網絡有四個要素，具體如圖1所示。

圖1.LoRa網絡的四個要素（圖片來源：LoRa聯盟）

1.      終端節(jié)點是LoRa生態(tài)系統(tǒng)的構成要素，用于收集傳感器數據以及發(fā)送/接收數據。這些要素通常采用遠程連接方式，并由電池供電。

2.      網關是終端節(jié)點與網絡服務器之間的透明網橋。通常，終端節(jié)點通過LoRaWAN連接到網關，而網關利用Wi-Fi?、以太網或蜂窩等高帶寬網絡連接到網絡。

3.      一個網絡服務器可以連接到多個網關，能夠從多個網關收集數據并過濾掉重復消息，決定哪個網關應該對終端節(jié)點消息做出響應，并調整數據速率以延長終端節(jié)點的電池壽命。

4.      應用服務器從終端節(jié)點收集數據并控制終端節(jié)點設備的動作。

下面我們來詳細了解一下LoRa終端節(jié)點的概念，以及進行相關設計時會遇到的挑戰(zhàn)。 

設計LoRa終端節(jié)點的常見挑戰(zhàn)

終端節(jié)點是比較簡單的對象，例如傳感器和執(zhí)行器。通常，這些對象就是物聯網（IoT）中的“物”。在LoRaWAN生態(tài)系統(tǒng)中，終端節(jié)點通過一個或多個網關與網絡服務器通信。

大多數情況下，LoRa終端節(jié)點都是低成本的電池供電類應用，需要具有高成本效益和高能效。有多種方案可用于構建LoRa終端節(jié)點，具體取決于開發(fā)時間、目標成本、功耗和具備的RF專業(yè)知識。在研究可用于構建LoRa終端節(jié)點的方案之前，我們先來看看設計人員在設計終端節(jié)點時面臨的一些最常見的挑戰(zhàn)，這有助于我們挑選合適的產品。

在設計這種終端節(jié)點架構時，以下領域的挑戰(zhàn)最為常見：

1.      RF設計

與所有其他無線設計一樣，設計LoRa終端節(jié)點也需要具備大量的RF設計專業(yè)知識。在使用LoRa SoC/SiP時，終端節(jié)點設備開發(fā)人員負責整個RF設計，包括原理圖、BOM、PCB布局、天線調諧和其他射頻硬件。即使備有可靠實用的文檔和應用設計指南，RF設計也并不總是那么容易。設計過程不僅需要深入的RF專業(yè)知識，而且還會占用設計人員大量的開發(fā)時間。調試RF設計通常還需要特殊設備，這進一步增加了開發(fā)成本。為了克服RF設計挑戰(zhàn)，一些供應商會提供附帶各種支持的SoC/SiP，其中包括非常實用的文檔、經過法規(guī)認證的參考設計和內容詳盡的芯片級設計包。然而，要想盡可能縮短開發(fā)時間并降低風險，已針對射頻進行優(yōu)化、測試和認證的LoRa模塊總是最佳選擇。這類模塊可以用作單個組件以提供完整的解決方案，從而降低設計風險并縮短開發(fā)時間。

2.      合規(guī)性與認證

LoRa/Sub-GHz無線電通常在免許可的ISM頻段運行，并且頻率會因地區(qū)而異，這對硬件和軟件設計人員來說是一項挑戰(zhàn)。設計人員必須小心謹慎，以確保設計出完全合規(guī)的解決方案，同時盡可能降低BOM成本。此外，RF法規(guī)要求不斷變化，跟上法規(guī)變化、重新測試設備和重新認證合規(guī)性可能需要終端節(jié)點開發(fā)公司投入數千美元和大量的工程時間，而這些資金和時間本可以用于新項目。使用經過認證的LoRa模塊可以輕松解決這個問題，因為模塊制造商會負責滿足最新法規(guī)要求，并重新認證模塊以符合最新規(guī)范。若選擇經過法規(guī)認證的LoRa模塊，則可以完全避免花費在確保合規(guī)性上的所有成本和時間。

3.      多地區(qū)工作

LoRa設備支持不同地區(qū)的多種工作頻率。終端節(jié)點制造商通常會先在一個主要地區(qū)發(fā)布其終端產品。一旦需求增加，公司就會考慮擴展相同設計的應用范圍，以覆蓋其他地區(qū)。若擁有一個支持多個地區(qū)的SKU，則可以將最終產品無縫移植和擴展到不同的國家和地區(qū)。經過法規(guī)認證的LoRa模塊適用于多個頻段，是此類產品擴展的理想選擇。

4.      可靠的軟件

通常，LoRa模塊將整個LoRaWAN協(xié)議棧集成在模塊內部，終端節(jié)點開發(fā)人員只需實現模塊的初始化和通信即可。  對于LoRa SoC/SiP和獨立的LoRa模塊，協(xié)議棧必須由制造商提供，如果沒有提供，則開發(fā)人員必須自行開發(fā)協(xié)議棧。為了最大限度地減少軟件開發(fā)工作，建議選擇制造商的LoRaWAN協(xié)議棧支持的LoRa模塊/IC。制造商提供的經過驗證的LoRaWAN協(xié)議棧可確保終端節(jié)點與主要LoRaWAN網絡和網關之間的互操作性，使終端節(jié)點能夠在不同的網絡上工作，同時降低風險。

5.      從模塊到SoC的移植方案

許多公司基于經過認證的模塊著手進行原型設計和初始生產運行，以期降低風險并加快其產品的上市步伐。在其產品開始生產爬坡后，公司可能會決定轉為使用LoRa SoC/IC，以提高靈活性或降低BOM成本。移植并非總是簡單易行，因此務必考慮選用允許在模塊與IC之間進行簡單軟件移植的獨立模塊。此外，必須選擇同時銷售模塊和SoC的供應商，以便開發(fā)平臺、軟件移植和支持結構可以保持不變。 

經過法規(guī)認證的LoRa模塊有助于克服挑戰(zhàn)并簡化LoRa終端節(jié)點設計

LoRa模塊包含所有必需的無線電元件以及LoRaWAN協(xié)議棧和RF電路，因此是加快LoRaWAN終端設備開發(fā)速度的理想選擇。RF開發(fā)和認證由模塊制造商執(zhí)行，因此認證規(guī)范的任何變更或組件更換都完全由制造商處理，從而為終端設備制造商節(jié)省了大量的開發(fā)時間和重新認證成本。

獨立LoRa模塊具有高度集成的LoRa IC，可提供足夠的內存來運行應用程序代碼以及LoRaWAN協(xié)議棧。這樣一來，便無需使用外部單片機，可以節(jié)省電路板空間和系統(tǒng)成本。下面的圖2和圖3給出了這種獨立模塊的簡單示例。WLR089U0模塊基于Microchip的SAM R34/35系列IC，是一款緊湊型模塊，具有256 KB閃存和40 KB RAM，非常適合空間受限的應用。此外，該模塊還集成有RF開關，可實現多頻段工作，并允許在多個地區(qū)使用同一模塊，從而更加輕松地擴大終端產品的市場。WLR089U0還受Microchip久經考驗的LoRaWAN協(xié)議棧和專有的點對點軟件支持，正在開發(fā)LoRa應用的最終用戶可借此簡化軟件開發(fā)過程。這類模塊基于SAM R34/35 IC，因此在模塊與IC之間的移植也更加簡單。選擇這類模塊有助于在開發(fā)LoRa終端節(jié)點時克服所有常見的設計挑戰(zhàn)，從而簡化整個設計過程。

圖2.WLR089U0 LoRa模塊框圖

圖3.WLR089U0 LoRa模塊

結論

開發(fā)LoRa終端節(jié)點既復雜又耗時。高度集成且經過認證的LoRa模塊提供了一種簡單、成熟的方法來克服設計這些終端節(jié)點所涉及的復雜挑戰(zhàn)?？煽康能浖?、更大的內存、集成的RF開關和法規(guī)認證是LoRa模塊的一些關鍵特性。選擇經過嚴格認證的LoRa模塊不僅有助于簡化設計過程，還能讓終端節(jié)點開發(fā)人員成功使其產品脫穎而出并更快地將其推向市場。