投稿人：DigiKey

遠程監視和控制應用涵蓋從農業、采礦業到智慧城市的眾多應用，對于這些應用的物聯網 （IoT）傳感器和執行器網絡的設計者來說，都需要一個安全、堅固、低維護和相對容易部署的長距離無線接口。LoRaWAN 是這類應用的不錯選擇，它在農村的視距連接范圍可達15 km，在城市地區可達 5 km——使用電池壽命可持續 10 年的終端設備。

雖然 LoRaWAN 是一種成熟的低功耗廣域網絡 （LPWAN） 技術，但開發者始終需要一種方法來簡化部署和云連接。

對于剛接觸 LoRaWAN物聯網項目的工程師來說，不僅需要設置無線終端設備，還需要連接網關和云物聯網平臺，處理由此造成的復雜性是他們面臨的難題。有了供應商的入門套件，這些工作就容易多了，這些套件包括了構建和運行原型所需的一切。

本文將介紹 LoRaWAN，說明該技術如何通過形成一個 LPWAN 將傳感器數據轉發到云端來補充短距離無線傳感器網絡。然后介紹并描述如何使用 DigiXON-9-L1-KIT-001 入門套件來設計、開發和配置基于工業平臺的 LoRaWAN物聯網解決方案。該套件包含一個多傳感器終端設備、一個多通道網關和一個設備到云的物聯網平臺。

什么是 LoRa 和 LoRaWAN？

LoRaWAN 是一種用于物聯網設備的 LPWAN 技術，其特點是數十公里覆蓋距離、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（電池壽命可達十年，視具體應用而定）。表 1 對LoRaWAN 與其他物聯網技術進行了比較。

LoRa 規范定義了支撐 LoRaWAN 的物理層 （PHY） 和調制技術。協議棧的媒體訪問控制 （MAC） 層由 LoRaWAN 標準規定（圖 1）。

該技術傳輸范圍的關鍵是使用一種改良形式的直接序列擴頻 （DSSS） 調制方法。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，因此擴大了傳輸范圍。DSSS 的缺點是需要一個精確度高（且昂貴）的參考時鐘。LoRa 線性調頻擴頻（CSS） 技術提供了一種取消了時鐘的低成本、低功耗 DSSS 替代方案。CSS 通過產生一個頻率連續變化的線性調頻信號來傳播信號頻譜（圖 2）。

使用 CSS，發射器和接收器之間的定時和頻率偏移相等，這進一步降低了接收器的設計復雜性。LoRa調制技術還包括一個可提高傳輸信號穩健性的可變糾錯方案，進一步擴大了傳輸范圍。這樣，發射器 （Tx） 功率和接收器 （Rx） 靈敏度（以“分貝毫瓦dBm”為單位）鏈路預算結果約為 154 dBm，使得單個網關或基站就能夠覆蓋整座城市。

在北美地區，LoRaWAN 使用 902 至 928 MHz 工業、科學和醫療 （ISM） 頻譜分配方案。該無線協議定義了 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。北美地區的最大發射 （TX） 功率為 30dBm，但對于大多數應用來說，20 dBm 發射功率就足夠了。根據美國聯邦通信委員會的規定，沒有占空比限制，但每通道有 400 ms 的最長駐留時間。

網狀網絡是一種通過在節點之間轉發信息以到達網絡邊緣來擴大傳輸范圍的技術，但這種技術會增加復雜性，降低容量并縮短電池壽命。LoRaWAN沒有使用網狀網絡，而是采用了每個（長距離）節點都直接與網關連接的星形拓撲結構。節點不與特定的網關相關聯。相反，一個節點傳輸的數據通常由多個網關接收。然后，每個網關通過某種形式的回程（通常是蜂窩、以太網、衛星或Wi-Fi）將從終端節點接收的數據包轉發到基于云的網絡服務器上（圖 3）。

為了使長距離的星形網絡切實可行，網關必須能夠接收來自大量節點的信息。LoRaWAN通過采用自適應數據速率、能在多個通道上同時接收信息的網關來實現這種高容量。一個八通道網關可以支持每天幾十萬條信息。假設每個終端設備每天發送十條信息，則這類網關可支持大約10，000 個設備。如果需要更多的容量，可以在網絡中增加網關數量。

用于快速原型開發的 LPWAN入門套件

LPWAN技術很復雜，對沒有經驗的工程師來說是個挑戰。開發者不僅要用安全、強大的連接來設置無線終端設備，還要將其與網關連接，將其作為網絡的一部分，再連接云物聯網平臺。

使用諸如 Digi 的 XON-9-L1-KIT-001 等定制入門套件（圖 4），可以更加簡單地構建端到端 LoRaWAN物聯網解決方案。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入下一階段。因此，非專業人士也能迅速構建一個完整的 LoRaWAN物聯網解決方案原型。

LoRa 的特點是將網絡下行鏈路延遲與電池壽命進行權衡；Digi 入門套件可支持 LoRaWAN A 類（最低功率、雙向終端設備）和 C類（最低延遲、終端設備接收器始終工作、雙向終端設備）。

該入門套件提供了快速、安全地構建 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模塊的擴展板或“客戶端盾板”、一個 LED、一個數字輸入、溫度傳感器、一個 Digi 8 通道 LoRaWAN HXG3000以太網網關、一個嵌入式開發者應用編程接口 （API） 以及一個具有掃描即用型移動配置的設備到云平臺 30 天免費試用賬戶。

HXG3000 網關通過 LoRaWAN 提供遠距離、非視距雙向通信，每天可處理多達 150 萬條信息。該產品包括一個 1.7 dBm的全向無線電，具有高達 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頻段運行。該設備可采用交流電源或通過以太網供電 （PoE）。提供以太網和 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 傳感器原型構建和開發方面的需求。該器件可連接選定的兼容型STMicroelectronics Nucleo（例如 NUCLEO-L053R8）和 Arduino ARM Keil? Cortex?-M級微控制器開發板，以實現 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、數字輸入滑動開關和一個數字控制式紅、綠、藍 （RGB） LED。該盾板上有一個 U.FL連接器，相關的天線也作為套件的一部分包含在內。該盾板還集成了 LoRaWAN 模塊，可在免許可的美國 902 MHz 至 928 MHz 頻段運行。TX 功率為14 至 20 dBm（圖 5）。

Digi X-ON 是一個完整的、用于物聯網終端設備的設備到云平臺。該平臺同時提供了一個集開發和運行于一體的云解決方案。X-ON 集成了一個集成式LoRaWAN 網絡服務器，并與服務器連接以支持運行 LoRaWAN無線協議的設備和網關。這種連接服務器會處理連接流程，包括網絡和應用服務器認證和生成會話密鑰。

開發者通過該平臺能夠完成以下工作：

從網絡和移動界面配置、監測和診斷設備或網關

用配置應用程序自動部署設備和網關

管理無線網絡網關

直接從終端設備收集數據并進行數據

使用云間 API，在多個云平臺之間獲得實時、雙向的設備數據

記錄和跟蹤實時數據信息，以便與終端設備和網關進行互動操作和故障排除

通過開放式 API 整合數據，以便與第三方實用程序開發更復雜的應用（圖 6）。

啟動 LoRaWAN 項目

由于客戶端盾板、STMicroelectronics Nucleo 和 Arduino 開發板使用嵌入式 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 級微控制器的物聯網設備平臺和操作系統 （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，旨在將設計復雜性抽象化，進而簡化開發。

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

對于更高級的應用開發，可以將 Digi LoRaWAN 入門套件與 Mbed Studio 連接，這是一個用于構建、編譯和調試 Mbed程序的桌面集成開發環境 （IDE）。最后是 Mbed CLI，這是一個可以集成到開發者首選的 IDE 中的指令行工具。

最快的開發路線是首先創建 Digi X-ON 賬戶。接下來，開發者需要注冊一個 Mbed 在線編譯器賬戶。然后，在開發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。客戶端盾板上的“PWR” LED 和開發板上的 “COM” LED 將點亮，表明電子裝置已經通電。

然后，Mbed 在線編譯器引導開發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）中的傳感器應用示例將代碼導入編譯器，并下載到開發板中。編譯器也可以用來改變 LoRaWAN 的配置，如設備類別和網絡連接模式（圖 7）。

只要網關在運行，客戶端盾板/開發板就會連接網絡，并開始每 15 秒發送一次上行鏈路（默認模式下）。在 X-ON帳戶頁面，只要按下“流”按鈕，從設備傳輸的數據就會顯示在屏幕上。

結語

對于物聯網檢測和執行器網絡的設計者來說，LoRaWAN可以實現免許可射頻接入、數十公里的傳輸距離、低功耗、良好的安全性和可擴展性，以及強大的連接。但是，像許多物聯網無線協議一樣，處理終端設備的連接、配置、網關以及將傳感器數據流轉到云端可能是一個挑戰。

如圖所示， Digi LoRaWAN 入門套件解決了許多此類問題。其特點包括：采用具有簡化型 ARM Keil Mbed C++ 嵌入式 API的客戶端盾板，具有以太網回程的 LoRaWAN 網關，以及具有掃描即用型移動配置的 X-ON 設備到云平臺。使用該入門套件，開發者可以通過 LoRaWAN硬件原型快速啟動和運行，開發和移植傳感器和執行器的應用代碼，并使用云平臺分析、展示數據。