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IoT傳感器

LoRaWAN介紹15 終端設(shè)計(jì)

發(fā)布日期:2022-05-25 點(diǎn)擊率:54

因?yàn)閼?yīng)用在廣闊的行業(yè)內(nèi),在傳感器、執(zhí)行器、供電、通信延時(shí)等不同的要求,讓LoRaWAN的End Node呈現(xiàn)種類繁多的形態(tài)。同時(shí),80%的共性還是存在的,包括:整體架構(gòu)、LoRaWAN協(xié)議棧、軟件開(kāi)發(fā)模式等。

1 整體架構(gòu)

一般說(shuō)來(lái),一個(gè)End Node硬件包括以下四部分:

MCU:實(shí)現(xiàn)LoRaWAN協(xié)議棧、控制LoRa射頻、驅(qū)動(dòng)外設(shè)和實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序;

LoRa radio:實(shí)現(xiàn)LoRa信號(hào)接收與發(fā)送;

外設(shè):驅(qū)動(dòng)傳感器、控制I/O端口等;

供電:通過(guò)電池或市電給整個(gè)系統(tǒng)提供電源。

一個(gè)End Node的軟件包括:

驅(qū)動(dòng)層:主要是驅(qū)動(dòng)總線,從而與LoRa射頻、傳感器和執(zhí)行器通信;

中間件:包括LoRaWAN協(xié)議棧和能耗管理;

應(yīng)用層:滿足用戶的業(yè)務(wù)需求,如采集數(shù)據(jù)并初步加工,定時(shí)上傳等。

2 產(chǎn)品方案

設(shè)計(jì)一個(gè)End Node至少有3種方案:chipset、module和modem。

2.1  Chipset

硬件:選購(gòu)一款低功耗的MCU,采購(gòu)SX127x射頻芯片,設(shè)計(jì)RF電路,實(shí)現(xiàn)PCB,調(diào)試天線和射頻匹配,連接傳感器或執(zhí)行器。

軟件:MCU實(shí)現(xiàn)LoRaWAN協(xié)議棧,控制SX127x射頻電路,驅(qū)動(dòng)外設(shè),實(shí)現(xiàn)用戶應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn):取得最大靈活性,硬件成本可控。

缺點(diǎn):難度大,周期長(zhǎng),研發(fā)和測(cè)試成本高。

2.2  Module

硬件:連接傳感器或執(zhí)行器。

軟件:MCU實(shí)現(xiàn)LoRaWAN協(xié)議棧,驅(qū)動(dòng)外設(shè),實(shí)現(xiàn)用戶應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn):省去硬件設(shè)計(jì),有成熟的開(kāi)發(fā)與測(cè)試平臺(tái)。

缺點(diǎn):自行實(shí)現(xiàn)LoRaWAN,軟件方面有挑戰(zhàn)。

2.3  Modem

硬件:選購(gòu)一款低功耗MCU,通過(guò)UART(或SPI等)連接LoRa Modem,連接傳感器或執(zhí)行器。

軟件:MCU控制LoRa Modem,驅(qū)動(dòng)外設(shè),實(shí)現(xiàn)用戶應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn):難度小,時(shí)間短,研發(fā)和測(cè)試成本低。

缺點(diǎn):硬件成本高,LoRaWAN協(xié)議棧升級(jí)依賴廠商。

針對(duì)上面三種方案,一個(gè)EndNode該如何選擇呢?這依賴下表的因素。

3 軟件開(kāi)發(fā)

一個(gè)End Node的軟件開(kāi)發(fā)依賴上述三種方案的選擇:

Chipset:根據(jù)MCU選擇合適的IDE(如:IAR或Keil等),是否需要移植OS,移植官方的LoRaWAN協(xié)議棧,可以從以下鏈接獲取官方源代碼:https://github.com/LoRa-net/LoRaMac-node

Module:一般而言,供應(yīng)商提供IDE、OS等平臺(tái),用戶需要實(shí)現(xiàn)或管理LoRaWAN。

Modem:這是難度最小的方案,根據(jù)Modem提供的命令集,初始化LoRaWAN協(xié)議棧,讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)包。

4 選擇天線

工作在470MHz(中國(guó)地區(qū))的End Node,1/4波長(zhǎng)的天線約16.0cm。有3種可選的天線方案。

專用OEM天線:設(shè)計(jì)專用的天線可以達(dá)到最佳的發(fā)射功率和接收靈敏度,然而,這需要一個(gè)高品質(zhì)的天線廠商,成本較高。

PCB天線:對(duì)覆銅的要求高,走線的曲直和寬窄都影響天線的性能。

1/4波長(zhǎng)天線:實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但容易因天線長(zhǎng)度和繞線而引入個(gè)體誤差,在使用中需要保證天線外形穩(wěn)定,否則會(huì)影響性能。

5 降低功耗

節(jié)能是一個(gè)細(xì)致功夫,它包括:MCU選型、電路設(shè)計(jì)、管腳控制、工作模式、開(kāi)關(guān)外設(shè)和軟件算法等。考察一個(gè)End Node的功耗,至少需要了解以下5種模式的功耗和占空比(該模式占用多長(zhǎng)的時(shí)間)。

休眠:MCU,RF和外設(shè)都關(guān)閉,一般僅RTC工作;

空閑:除MCU外,其他都關(guān)閉;

運(yùn)行:除RF外,其他(包括MCU和外設(shè))運(yùn)行;

接收:偵聽(tīng)或接收一個(gè)數(shù)據(jù)包;

發(fā)射:發(fā)射一個(gè)數(shù)據(jù)包;

關(guān)于節(jié)能更多資料請(qǐng)鏈接:http://www.rimelink.com/nd.jsp?id=53&_np=107_316

6 固件升級(jí)

以下2個(gè)原因限制了通過(guò)LoRa無(wú)線升級(jí)End Node的固件:

LoRa速率低,并且ISM頻段有duty cycle法規(guī),不適合傳輸較大的數(shù)據(jù)塊;

每個(gè)End Node有2個(gè)Key(NwkSKey和AppSKey)的密鑰,除非它們的Key都相同,否則無(wú)法組播(或廣播)升級(jí)固件。

可見(jiàn),固件的升級(jí)還是依賴廠商使用特殊的工具,如:通過(guò)UART或USB升級(jí),通過(guò)藍(lán)牙或紅外升級(jí)等。

閱讀更多: LoRa實(shí)驗(yàn)室, LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)階

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