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LoRa解決方案開發,終端設備設計指南

2017-09-26 21:31:06

因為應用在廣闊的行業內,在傳感器、執行器、供電、通信延時等不同的要求,讓LoRaWAN的End Node呈現種類繁多的形態。同時,80%的共性還是存在的,包括:整體架構、LoRaWAN協議棧、軟件開發模式等。  

1 整體架構

一般說來,一個End Node硬件包括以下四部分:

MCU:實現LoRaWAN協議棧、控制LoRa射頻、驅動外設和實現應用程序;

LoRa radio:實現LoRa信號接收與發送;

外設:驅動傳感器、控制I/O端口等;

供電:通過電池或市電給整個系統提供電源。

一個End Node的軟件包括:

驅動層:主要是驅動總線,從而與LoRa射頻、傳感器和執行器通信;

中間件:包括LoRaWAN協議棧和能耗管理;

應用層:滿足用戶的業務需求,如采集數據并初步加工,定時上傳等。

2 產品方案

設計一個End Node至少有3種方案:chipset、module和modem。

2.1  Chipset

硬件:選購一款低功耗的MCU,采購SX127x射頻芯片,設計RF電路,實現PCB,調試天線和射頻匹配,連接傳感器或執行器。

軟件:MCU實現LoRaWAN協議棧,控制SX127x射頻電路,驅動外設,實現用戶應用。

優點:取得最大靈活性,硬件成本可控。

缺點:難度大,周期長,研發和測試成本高。

2.2  Module

硬件:連接傳感器或執行器。

軟件:MCU實現LoRaWAN協議棧,驅動外設,實現用戶應用。

優點:省去硬件設計,有成熟的開發與測試平臺。

缺點:自行實現LoRaWAN,軟件方面有挑戰。

2.3  Modem

硬件:選購一款低功耗MCU,通過UART(或SPI等)連接LoRa Modem,連接傳感器或執行器。

軟件:MCU控制LoRa Modem,驅動外設,實現用戶應用。

優點:難度小,時間短,研發和測試成本低。

缺點:硬件成本高,LoRaWAN協議棧升級依賴廠商。

針對上面三種方案,一個EndNode該如何選擇呢?這依賴下表的因素。

3 軟件開發

一個End Node的軟件開發依賴上述三種方案的選擇:

Chipset:根據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,供應商提供IDE、OS等平臺,用戶需要實現或管理LoRaWAN。

Modem:這是難度最小的方案,根據Modem提供的命令集,初始化LoRaWAN協議棧,讀取和發送數據包。

4 選擇天線

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

專用OEM天線:設計專用的天線可以達到很好的發射功率和接收靈敏度,然而,這需要一個高品質的天線廠商,成本較高。

PCB天線:對覆銅的要求高,走線的曲直和寬窄都影響天線的性能。

1/4波長天線:實現簡單,但容易因天線長度和繞線而引入個體誤差,在使用中需要保證天線外形穩定,否則會影響性能。

5 降低功耗

節能是一個細致功夫,它包括:MCU選型、電路設計、管腳控制、工作模式、開關外設和軟件算法等。考察一個End Node的功耗,至少需要了解以下5種模式的功耗和占空比(該模式占用多長的時間)。

休眠:MCU,RF和外設都關閉,一般僅RTC工作;

空閑:除MCU外,其他都關閉;

運行:除RF外,其他(包括MCU和外設)運行;

接收:偵聽或接收一個數據包;

發射:發射一個數據包;

關于節能更多資料請鏈接:http://www.rimelink.com/nd.jsp?id=53&_np=107_316

6 固件升級

以下2個原因限制了通過LoRa無線升級End Node的固件:

LoRa速率低,并且ISM頻段有duty cycle法規,不適合傳輸較大的數據塊;

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

可見,固件的升級還是依賴廠商使用特殊的工具,如:通過UART或USB升級,通過藍牙或紅外升級等。

 

關于:中科研拓

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