低功耗无线物联网LPWAN 射频模块设计方案

　　在考虑物联网 （IoT） 传感器的无线连接时，开发人员通常首先想到的是 Wi-Fi、Zigbee 或蓝牙。但是现实情况是，应用常常要求更低的功耗、更长的覆盖距离、不同的使用模式和更低的数据速率，超出了这些技术所能提供的范围。设计人员与其从头开始自己设计无线接口，承受相关的成本、潜在的延迟和返工问题，不如使用现成模块来实现各种相对较新的低功耗广域网 （LPWAN）。

　　这些 LPWAN 包括 Sigfox、LoRaWAN 和较新的 Radiocrafts 工业物联网 （RIIoT），它们全都旨在连接相对简单的工作在中采样率的传感器，并且能长距离（最长超过 50 km）发送短促而稀少的突发数据。此类应用通常会规定非常严格的功耗约束条件，目的是最大限度地延长位于偏远或不便场所的传感器的电池寿命。理想情况下，放置在此类场所的传感器依赖纽扣电池或 AAA 电池将能可靠地工作长达 10 年。

　　本文将讨论典型远程物联网感测的设计要求以及 Sigfox、LoRaWAN 和 RIIoT 的特性。接着会介绍 Pi Supply、Sigfox 和 Radiocrafts 提供的合适模块，并说明如何使用这些模块。

　　LPWAN 特性

　　LPWAN 的窄带宽是其低功耗工作的秘诀之一（图 1）。根据信息理论的基本原则，信号带宽和信噪比 （SNR） 与信息传输的错误率密切相关。SNR 越大或带宽越窄，错误率越低。

图 1：LPWAN 的窄带宽使其能够以更低功耗在更长距离上工作。（图片来源：Peter R. Egli，通过 Slideshare 获得）

　　利用这种关系，LPWAN 以低输出功率实现高度可靠的长距离信息传输。通过采用相对较低的数据速率，LPWAN 系统还降低了信号带宽要求。其结果是 LPWAN 系统可以实现数千米的通信距离。

　　LPWAN 系统的第二个关键特性是，它使用国际免许可的工业、科学和医学 （ISM） 频带 （886 - 906 MHz） 中的亚千兆赫兹 （GHz） 频率。根据公式 1，在给定发射功率下，以这些频率（波长更长）工作可减少自由空间路径损耗，提升有效覆盖范围：

公式 1

　　其中：

　　d = 距离

　　λ = 波长

　　在较低频率下，障碍物（例如墙壁和建筑物）吸收的射频 （RF） 能量较少，使得 LPWAN 系统在城市环境中具有出色的穿透能力。

　　基于 ISM 的设计不需要许可证，但仍需要遵守关于 ISM 频段工作的全球电源和电磁兼容性法规。

　　LPWAN 示例

　　虽然有多种 LPWAN 方案可供选择，但对于寻求快速开发基于传感器的物联网应用的开发人员而言，LoRaWAN、Sigfox 和最近推出的 RIIoT 是三种明智的选择方案。每一种方案都有预配置的无线电和传感器接口模块支持，可供开发人员轻松导入其设计中，另外还有开发套件帮助快速完成设置及应用开发。

　　LoRaWAN 网络基于 LoRa 联盟所管理的开放标准以及 Semtech Corp 拥有并授权的专有扩频无线电技术。该网络采用星形拓扑结构，允许单个节点与多个网关进行通信，从而实现漫游。它支持网关和节点之间的双向通信，让网关可将消息从一个节点中继到另一个节点，以及传送到基于云的服务器。

　　LoRaWAN 可实现 300 bps 到 50 kbps 的数据速率，可处理最多 243 字节的消息有效载荷，并使用 125 kHz 或 250 kHz 的信号带宽。它支持自适应数据速率，以便在变化的条件下保持信号可靠性，并且在城市环境中实现 5 km 的覆盖范围，视距 （LoS） 可达 20 km。用户可以开发节点并接入商业运营网络，或者利用自己的网关和回程网络建立专用网络。

　　Sigfox 是由 Sigfox 开发和管理的专有协议，该公司将技术授权给芯片开发人员，并让用户可以通过全球网关基站访问其网络。Sigfox 可在 100 赫兹 （Hz） 信号带宽下将数据速率保持在 600 bps，从而能够实现最大的覆盖范围。在无障碍视线条件下可以达到 40 km，在城市环境下可以达到 10 km。其轻量级协议将上行链路消息包限制为 26 字节（最多 12 字节的用户数据），因此发射器仅短暂通电。节点每天只能发送 140 条消息，网关在收到节点的上行链路消息之后，每天只能向节点发送下行链路消息 4 次。因此，节点无线电处于活动状态的时间非常短，大部分时间都处于休眠模式以尽量降低功耗。

　　虽然 LPWAN 无线电属于低功耗类型，但在现实世界中，低功耗是一个相对意义上的术语。例如，Radiocrafts 的 Sigfox 模块产品有两个不同的功耗选择。RC1692HP-SSM 高功耗传感器接口模块通过 UART 连接与主机微控制器通信，并提供 SPI、I2C、模拟和 GPIO 端口用于连接传感器。该模块采用 2.8 至 3.6 V 电源供电。

　　在休眠模式下，模块消耗 1 µA 电流。在连接了传感器的活动模式下，空闲时消耗的电流小于 20 µA，发射时消耗的电流小于 292 mA。

　　较低功耗的 RC1682-SSM 模块面向欧洲市场，消耗的电流要少得多，发射时仅为 58 mA。

　　RIIoT 是供开发人员考虑的最新 LPWAN 方案之一。它建立在 IEEE 802.15.4g/e 物理层 （PHY） 标准之上，此标准最初是为智能计量和过程控制应用而开发的。它增加了射频和媒体访问控制 （MAC） 特性，支持低功耗、长距离和高级安全性。通信是通过星形网络双向进行，提供小于 15 ms 的可预测网络延迟，以支持近实时控制应用。

　　RIIoT 有两种数据速率（5 kbps 和 50 kbps）和两种功耗级别，以便开发人员可以优化并权衡电池寿命、数据速率和覆盖范围，从而最好地满足需求。在低功耗、高数据速率的情况下，RIIoT 网络可以实现 5 km 无障碍视距和 200 m 城市覆盖范围，突发传输时间为 3.5 毫秒 （ms）。在更高输出功率和更低数据速率下，可实现 60 km 无障碍视距和 2 km 城市覆盖范围，突发传输时间为 45 ms。典型叶节点的休眠电流为 0.7 微安 （µA）。

　　构建 RIIoT 网络涉及三个主要元素：节点、网关和网络控制器软件。单个叶节点使用像 Radiocrafts RC1880CEF-SPR 这样的模块，其中集成了模数转换器 （ADC） 以及 GPIO、I2C、SPI 和 UART 接口。这些节点可与使用了兼容 RC1880CEF-GPR 模块或 USB 适配器的 Linux PC 进行无线通信。其中带有 RC1880CEF-GPR 模块的电路板可插入 PC 扩展槽，USB 适配器则通过 PC 的 USB 端口连接。

　　要将 PC 完全变成 RIIoT 网关，开发人员须安装第三个元件——RIIoT 网络控制器中间件。该软件不仅管理网络（包括对叶节点的无线固件更新），而且还将数据和命令转换为 JSON 对象，以简化与云端的连接。

图 3：完整 RIIoT 网络包含叶节点、托管网关模块的 Linux PC 和控制器软件。（图片来源：Radiocrafts）

　　RIIoT 在基础标准 IEEE202.15.4 之上增加的一项关键内容是能够对数据传输实现端到端安全性。Sigfox 不支持加密，LoRaWAN 支持在节点与网关之间的无线链路中进行加密，而 RIIoT 则进一步提高了安全性。

　　借助 RIIoT，每个节点都有唯一的安全密钥，使得从节点一直到与之交互的云端应用，消息始终处于加密状态。网关只管传送加密消息，而不需要访问其内容。

　　使用模块和套件加快设计：RIIoT

　　对于希望实现 LPWAN 物联网的开发人员来说，可以利用针对不同网络提供的众多预配置射频和传感器接口模块之一，来加快设计工作。此类模块已经解决了射频设计、功耗最小化和协议实现方面的所有棘手问题，因而基本上是可以直接插入主机处理器的通信设备。此外，这些模块已经过预先认证，符合 ISM 频段的法规要求。虽然开发人员仍会需要对其最终产品进行认证，但由于无线电元件已通过验证，最终认证将变得更加容易和确定。

　　这些模块还通过提供内置传感器接口和控制逻辑来帮助加快设计。例如，Radiocrafts 的 RC1880CEF-SPR 具有用于 ADC 模拟输入的接口，用于开关的 GPIO，用于兼容传感器的 I2C 和 SPI，以及用于连接到主机处理器的 UART（图 4）。开发人员可以直接将此模块导入设计中，解决了系统的无线通信和传感器接口两方面的需求。该模块可进行编程以自行处理传感器的设置、控制和采样，从而简化应用处理器的任务。传感器和通信看起来就像是存储器对应用代码的读写操作。

图 4：LPWAN 系统模块可以同时包含无线电和传感器接口，因而更易于整合到物联网传感器系统中。（图片来源：Radiocrafts）

　　开发套件（例如 RC1880-RIIOT-DK）可帮助开发人员快速建立完整的端到端 RIIoT 网络以进行实验。该套件包括用于构建完整网络的叶节点、网关模块和系统软件。它还包括用 C 语言对叶节点进行编程的软件工具，以便处理所连的传感器。

　　用于 LoRaWAN 和 Sigfox 的模块与开发套件

　　LoRaWAN 还有现成的预配置模块可用来轻松实现物联网系统。Pi Supply 的 PIS-1019 RAK811 LoRaWAN 模块就是一个很好的例子。

　　此器件为主机微控制器提供了串行端口，以便主机微控制器使用标准 AT 命令控制该模块。为了帮助建立一个完整的网络，PIS-1019 的 PIS-1037 开发套件包含了网关集中器模块，该模块可以将主机 PCIe 控制器变成网关/路由器接入点。

　　Radiocrafts 也有完整的 Sigfox 开发套件，例如用于 RC1692HP-SSM 射频模块的 RC1692HP-SSM-DK 套件和用于 RC1682-SSM 射频模块的 RC-1682-SSM DK。这些套件开箱即用，支持 Sigfox 无线电模块测试和开发。这些套件带有温度和湿度传感器、加速度计以及霍尔效应传感器。

　　但是，使用 Sigfox 的开发人员无法选择创建自己的网络。Sigfox 负责系统网关与回程的运营和维护，用户需要支付使用费。不过，这些模块配有预编码的 ID 和加密密钥，一旦注册，只需极少量的设置工作就可以开始将数据传送到 Sigfox 云。

　　总结

　　对于希望将低数据速率传感器以低功耗方式远距离连接到物联网的设计人员而言，RIIoT、LoRaWAN 和 Sigfox 等 LPWAN 解决方案是 Wi-Fi、Zigbee 或许可蜂窝网络的出色替代方案。每种方案都有自己的优势，但所有方案都能解决从智能电表到智能农业的各种应用。