在考慮物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 傳感器的無線連接時，開發(fā)人員通常首先想到的是 Wi-Fi、Zigbee 或藍牙。但是現(xiàn)實情況是，應(yīng)用常常要求更低的功耗、更長的覆蓋距離、不同的使用模式和更低的數(shù)據(jù)速率，超出了這些技術(shù)所能提供的范圍。設(shè)計人員與其從頭開始自己設(shè)計無線接口，承受相關(guān)的成本、潛在的延遲和返工問題，不如使用現(xiàn)成模塊來實現(xiàn)各種相對較新的低功耗廣域網(wǎng) （LPWAN）。

　　這些 LPWAN 包括 Sigfox、LoRaWAN 和較新的 Radiocrafts 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （RIIoT），它們?nèi)贾荚谶B接相對簡單的工作在中采樣率的傳感器，并且能長距離（最長超過 50 km）發(fā)送短促而稀少的突發(fā)數(shù)據(jù)。此類應(yīng)用通常會規(guī)定非常嚴格的功耗約束條件，目的是最大限度地延長位于偏遠或不便場所的傳感器的電池壽命。理想情況下，放置在此類場所的傳感器依賴紐扣電池或 AAA 電池將能可靠地工作長達 10 年。

　　本文將討論典型遠程物聯(lián)網(wǎng)感測的設(shè)計要求以及 Sigfox、LoRaWAN 和 RIIoT 的特性。接著會介紹 Pi Supply、Sigfox 和 Radiocrafts 提供的合適模塊，并說明如何使用這些模塊。

　　LPWAN 特性

　　LPWAN 的窄帶寬是其低功耗工作的秘訣之一（圖 1）。根據(jù)信息理論的基本原則，信號帶寬和信噪比 （SNR） 與信息傳輸?shù)腻e誤率密切相關(guān)。SNR 越大或帶寬越窄，錯誤率越低。

圖 1：LPWAN 的窄帶寬使其能夠以更低功耗在更長距離上工作。（圖片來源：Peter R. Egli，通過 Slideshare 獲得）

　　利用這種關(guān)系，LPWAN 以低輸出功率實現(xiàn)高度可靠的長距離信息傳輸。通過采用相對較低的數(shù)據(jù)速率，LPWAN 系統(tǒng)還降低了信號帶寬要求。其結(jié)果是 LPWAN 系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)千米的通信距離。

　　LPWAN 系統(tǒng)的第二個關(guān)鍵特性是，它使用國際免許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué) （ISM） 頻帶 （886 - 906 MHz） 中的亞千兆赫茲 （GHz） 頻率。根據(jù)公式 1，在給定發(fā)射功率下，以這些頻率（波長更長）工作可減少自由空間路徑損耗，提升有效覆蓋范圍：

公式 1

　　其中：

　　d = 距離

　　λ = 波長

　　在較低頻率下，障礙物（例如墻壁和建筑物）吸收的射頻 （RF） 能量較少，使得 LPWAN 系統(tǒng)在城市環(huán)境中具有出色的穿透能力。

　　基于 ISM 的設(shè)計不需要許可證，但仍需要遵守關(guān)于 ISM 頻段工作的全球電源和電磁兼容性法規(guī)。

　　LPWAN 示例

　　雖然有多種 LPWAN 方案可供選擇，但對于尋求快速開發(fā)基于傳感器的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)人員而言，LoRaWAN、Sigfox 和最近推出的 RIIoT 是三種明智的選擇方案。每一種方案都有預(yù)配置的無線電和傳感器接口模塊支持，可供開發(fā)人員輕松導(dǎo)入其設(shè)計中，另外還有開發(fā)套件幫助快速完成設(shè)置及應(yīng)用開發(fā)。

　　LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)基于 LoRa 聯(lián)盟所管理的開放標準以及 Semtech Corp 擁有并授權(quán)的專有擴頻無線電技術(shù)。該網(wǎng)絡(luò)采用星形拓撲結(jié)構(gòu)，允許單個節(jié)點與多個網(wǎng)關(guān)進行通信，從而實現(xiàn)漫游。它支持網(wǎng)關(guān)和節(jié)點之間的雙向通信，讓網(wǎng)關(guān)可將消息從一個節(jié)點中繼到另一個節(jié)點，以及傳送到基于云的服務(wù)器。

　　LoRaWAN 可實現(xiàn) 300 bps 到 50 kbps 的數(shù)據(jù)速率，可處理最多 243 字節(jié)的消息有效載荷，并使用 125 kHz 或 250 kHz 的信號帶寬。它支持自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率，以便在變化的條件下保持信號可靠性，并且在城市環(huán)境中實現(xiàn) 5 km 的覆蓋范圍，視距 （LoS） 可達 20 km。用戶可以開發(fā)節(jié)點并接入商業(yè)運營網(wǎng)絡(luò)，或者利用自己的網(wǎng)關(guān)和回程網(wǎng)絡(luò)建立專用網(wǎng)絡(luò)。

　　Sigfox 是由 Sigfox 開發(fā)和管理的專有協(xié)議，該公司將技術(shù)授權(quán)給芯片開發(fā)人員，并讓用戶可以通過全球網(wǎng)關(guān)基站訪問其網(wǎng)絡(luò)。Sigfox 可在 100 赫茲 （Hz） 信號帶寬下將數(shù)據(jù)速率保持在 600 bps，從而能夠?qū)崿F(xiàn)最大的覆蓋范圍。在無障礙視線條件下可以達到 40 km，在城市環(huán)境下可以達到 10 km。其輕量級協(xié)議將上行鏈路消息包限制為 26 字節(jié)（最多 12 字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)），因此發(fā)射器僅短暫通電。節(jié)點每天只能發(fā)送 140 條消息，網(wǎng)關(guān)在收到節(jié)點的上行鏈路消息之后，每天只能向節(jié)點發(fā)送下行鏈路消息 4 次。因此，節(jié)點無線電處于活動狀態(tài)的時間非常短，大部分時間都處于休眠模式以盡量降低功耗。

　　雖然 LPWAN 無線電屬于低功耗類型，但在現(xiàn)實世界中，低功耗是一個相對意義上的術(shù)語。例如，Radiocrafts 的 Sigfox 模塊產(chǎn)品有兩個不同的功耗選擇。RC1692HP-SSM 高功耗傳感器接口模塊通過 UART 連接與主機微控制器通信，并提供 SPI、I2C、模擬和 GPIO 端口用于連接傳感器。該模塊采用 2.8 至 3.6 V 電源供電。

　　在休眠模式下，模塊消耗 1 μA 電流。在連接了傳感器的活動模式下，空閑時消耗的電流小于 20 μA，發(fā)射時消耗的電流小于 292 mA。

　　較低功耗的 RC1682-SSM 模塊面向歐洲市場，消耗的電流要少得多，發(fā)射時僅為 58 mA。

　　RIIoT 是供開發(fā)人員考慮的最新 LPWAN 方案之一。它建立在 IEEE 802.15.4g/e 物理層 （PHY） 標準之上，此標準最初是為智能計量和過程控制應(yīng)用而開發(fā)的。它增加了射頻和媒體訪問控制 （MAC） 特性，支持低功耗、長距離和高級安全性。通信是通過星形網(wǎng)絡(luò)雙向進行，提供小于 15 ms 的可預(yù)測網(wǎng)絡(luò)延遲，以支持近實時控制應(yīng)用。

　　RIIoT 有兩種數(shù)據(jù)速率（5 kbps 和 50 kbps）和兩種功耗級別，以便開發(fā)人員可以優(yōu)化并權(quán)衡電池壽命、數(shù)據(jù)速率和覆蓋范圍，從而最好地滿足需求。在低功耗、高數(shù)據(jù)速率的情況下，RIIoT 網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn) 5 km 無障礙視距和 200 m 城市覆蓋范圍，突發(fā)傳輸時間為 3.5 毫秒 （ms）。在更高輸出功率和更低數(shù)據(jù)速率下，可實現(xiàn) 60 km 無障礙視距和 2 km 城市覆蓋范圍，突發(fā)傳輸時間為 45 ms。典型葉節(jié)點的休眠電流為 0.7 微安 （μA）。

　　構(gòu)建 RIIoT 網(wǎng)絡(luò)涉及三個主要元素：節(jié)點、網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)控制器軟件。單個葉節(jié)點使用像 Radiocrafts RC1880CEF-SPR 這樣的模塊，其中集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 以及 GPIO、I2C、SPI 和 UART 接口。這些節(jié)點可與使用了兼容 RC1880CEF-GPR 模塊或 USB 適配器的 Linux PC 進行無線通信。其中帶有 RC1880CEF-GPR 模塊的電路板可插入 PC 擴展槽，USB 適配器則通過 PC 的 USB 端口連接。

　　要將 PC 完全變成 RIIoT 網(wǎng)關(guān)，開發(fā)人員須安裝第三個元件——RIIoT 網(wǎng)絡(luò)控制器中間件。該軟件不僅管理網(wǎng)絡(luò)（包括對葉節(jié)點的無線固件更新），而且還將數(shù)據(jù)和命令轉(zhuǎn)換為 JSON 對象，以簡化與云端的連接。

圖 3：完整 RIIoT 網(wǎng)絡(luò)包含葉節(jié)點、托管網(wǎng)關(guān)模塊的 Linux PC 和控制器軟件。（圖片來源：Radiocrafts）

　　RIIoT 在基礎(chǔ)標準 IEEE202.15.4 之上增加的一項關(guān)鍵內(nèi)容是能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)端到端安全性。Sigfox 不支持加密，LoRaWAN 支持在節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間的無線鏈路中進行加密，而 RIIoT 則進一步提高了安全性。

　　借助 RIIoT，每個節(jié)點都有唯一的安全密鑰，使得從節(jié)點一直到與之交互的云端應(yīng)用，消息始終處于加密狀態(tài)。網(wǎng)關(guān)只管傳送加密消息，而不需要訪問其內(nèi)容。

　　使用模塊和套件加快設(shè)計：RIIoT

　　對于希望實現(xiàn) LPWAN 物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)人員來說，可以利用針對不同網(wǎng)絡(luò)提供的眾多預(yù)配置射頻和傳感器接口模塊之一，來加快設(shè)計工作。此類模塊已經(jīng)解決了射頻設(shè)計、功耗最小化和協(xié)議實現(xiàn)方面的所有棘手問題，因而基本上是可以直接插入主機處理器的通信設(shè)備。此外，這些模塊已經(jīng)過預(yù)先認證，符合 ISM 頻段的法規(guī)要求。雖然開發(fā)人員仍會需要對其最終產(chǎn)品進行認證，但由于無線電元件已通過驗證，最終認證將變得更加容易和確定。

　　這些模塊還通過提供內(nèi)置傳感器接口和控制邏輯來幫助加快設(shè)計。例如，Radiocrafts 的 RC1880CEF-SPR 具有用于 ADC 模擬輸入的接口，用于開關(guān)的 GPIO，用于兼容傳感器的 I2C 和 SPI，以及用于連接到主機處理器的 UART（圖 4）。開發(fā)人員可以直接將此模塊導(dǎo)入設(shè)計中，解決了系統(tǒng)的無線通信和傳感器接口兩方面的需求。該模塊可進行編程以自行處理傳感器的設(shè)置、控制和采樣，從而簡化應(yīng)用處理器的任務(wù)。傳感器和通信看起來就像是存儲器對應(yīng)用代碼的讀寫操作。

圖 4：LPWAN 系統(tǒng)模塊可以同時包含無線電和傳感器接口，因而更易于整合到物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)中。（圖片來源：Radiocrafts）

　　開發(fā)套件（例如 RC1880-RIIOT-DK）可幫助開發(fā)人員快速建立完整的端到端 RIIoT 網(wǎng)絡(luò)以進行實驗。該套件包括用于構(gòu)建完整網(wǎng)絡(luò)的葉節(jié)點、網(wǎng)關(guān)模塊和系統(tǒng)軟件。它還包括用 C 語言對葉節(jié)點進行編程的軟件工具，以便處理所連的傳感器。

　　用于 LoRaWAN 和 Sigfox 的模塊與開發(fā)套件

　　LoRaWAN 還有現(xiàn)成的預(yù)配置模塊可用來輕松實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。Pi Supply 的 PIS-1019 RAK811 LoRaWAN 模塊就是一個很好的例子。

　　此器件為主機微控制器提供了串行端口，以便主機微控制器使用標準 AT 命令控制該模塊。為了幫助建立一個完整的網(wǎng)絡(luò)，PIS-1019 的 PIS-1037 開發(fā)套件包含了網(wǎng)關(guān)集中器模塊，該模塊可以將主機 PCIe 控制器變成網(wǎng)關(guān)/路由器接入點。

　　Radiocrafts 也有完整的 Sigfox 開發(fā)套件，例如用于 RC1692HP-SSM 射頻模塊的 RC1692HP-SSM-DK 套件和用于 RC1682-SSM 射頻模塊的 RC-1682-SSM DK。這些套件開箱即用，支持 Sigfox 無線電模塊測試和開發(fā)。這些套件帶有溫度和濕度傳感器、加速度計以及霍爾效應(yīng)傳感器。

　　但是，使用 Sigfox 的開發(fā)人員無法選擇創(chuàng)建自己的網(wǎng)絡(luò)。Sigfox 負責系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)與回程的運營和維護，用戶需要支付使用費。不過，這些模塊配有預(yù)編碼的 ID 和加密密鑰，一旦注冊，只需極少量的設(shè)置工作就可以開始將數(shù)據(jù)傳送到 Sigfox 云。

　　總結(jié)

　　對于希望將低數(shù)據(jù)速率傳感器以低功耗方式遠距離連接到物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計人員而言，RIIoT、LoRaWAN 和 Sigfox 等 LPWAN 解決方案是 Wi-Fi、Zigbee 或許可蜂窩網(wǎng)絡(luò)的出色替代方案。每種方案都有自己的優(yōu)勢，但所有方案都能解決從智能電表到智能農(nóng)業(yè)的各種應(yīng)用。