采用LORA 技术设计物联网应用

各种无线技术的产品连接到物联网(IoT)。每种技术适合不同的应用,需要设计人员仔细考虑因素,如距离和数据传输速率,成本,功耗,体积和外形。

本文将介绍的LoRa协议,其优势比其他协议,并讨论多项产品和开发工具包,使工程师可以快速上手开发基于LoRa系统。

无线物联网权衡考虑因素

每个无线技术既有长处和短处。标准的Wi-Fi,例如,可以传输大量高速数据的,但它有一个有限的范围内。蜂窝网络结合高速和长距离,但它的耗电。

的IoT应用,例如远程数据采集,城市照明控制,气象监测,和农业,分别具有不同的组优先级。被测量或在这些应用中,如天气条件,土壤水分含量,或街灯控制的数量时,所有的变化非常缓慢地在延长的时间周期。

此外,该传感器节点往往英里开并且是电池供电的,所以最佳的无线协议必须能够小数据分组在长距离上以最小的功耗有效地发送。该LORA协议被设计为恰好这些要求。

LORA技术概述

LORA是针对低功耗,广域网(LPWAN)应用程序。它拥有射程超过15公里,并达到1万个节点的容量。低功耗和长范围的组合限制了最大数据速率为每秒50千比特(Kbps)的。

劳拉是拥有和申请了专利专有技术Semtech公司公司,在ISM波段操作。频率分配和用于ISM监管要求因地区而异(图1)。两种最流行的频率是用于北美,欧洲使用的868兆赫(MHz)和915兆赫。其他地区,尤其是亚洲,有不同的要求。 

  欧洲 北美
频带 867-869兆赫 902-328兆赫
通道 10 64 + 8 + 8
通道BW最多 125/250千赫 五百分之一百二十五千赫
通道BW DN 125千赫 500千赫
TX通电 +14 dBm的 +20 dBm的典型值
(30 dBm的允许)
TX功率DN +14 dBm的 +27 dBm的
SF向上 7-12 7-10
数据速率 250个BPS – 50 kbps的 980个基点 – 21.9 kbps的
链路预算最多 155分贝 154分贝
链路预算DN 155分贝 157分贝

图1:LoRa规格为欧洲和美国,这两个地区,其中ISM频段被广泛使用的比较。(图像源:LoRa联盟)

所述LoRa物理层使用扩频调制(SSM)(图2)。SSM编码具有更高的频率序列,其故意散布在更宽的带宽的基带信号,降低了功耗,并且增加了抗电磁干扰的基本信号。

扩频系统的框图倍频输入数据

图2:一个扩频系统通过扩展信号带宽快得多的码序列相乘的输入数据。(图像源:升特公司)

基本信号的扩频因子(SF)是可变的并且代表一种折衷。对于给定的可用带宽,较大的扩展因数减小了比特率,而且还通过增加发送时间缩短电池的使用寿命。

A中规定的扩频因子(SF)和带宽(BW)会给由下式定义的比特率:

式(1)

洛拉允许六个扩频因子(SF7 – SF12)和三个不同的带宽(125千赫兹,250千赫兹,500千赫)。允许的扩频因子和带宽由区域性监管机构定义。北美,例如,指定了一个500 kHz带宽和7至10中的扩频因子。

由于扩频技术,具有不同的数据传输速率的消息是正交的,并通过创建一套“虚拟”通道不相互干扰,提高了网关的容量。

的洛拉方案是基于SSM的变体称为啁啾扩频(CSS)调制(图3)。CSS具有“啁啾”,其本质上是增加或随时间降低宽带频率调制的正弦信号进行编码的数据。

CSS“upchirp”的图像显示频率与时间的线性关系

图3:一个CSS“upchirp”可以遵循频率的多项式表达与时间,或显示出如下所示的线性关系。(图像来源:Wikipedia)

CSS是非常适合于低数据速率要求低的功率使用。

LoRaWAN和LORA网络架构

所述LoRaWAN规范定义了LPWAN的媒体访问控制(MAC)层。LoRaWAN是在LORA物理层的基础上实现,并且指定的通信协议和网络架构。这些功能具有高度的影响力在几个性能参数,包括:

  • 一个节点的电池寿命
  • 网络容量
  • 网络安全
  • 所服务的应用程序

所述LoRaWAN网络架构使用星的星的拓扑,其中每个端节点与多个网关与网络服务器通信进行通信。

所述洛拉网络具有四个元件(图4):

  • 端节点收集的传感器数据,发送它的上游,并且从应用服务器接收下行通信。端点设备使用单跳无线通信到一个或多个网关。
  • 集中器/网关充当透明网桥和端节点和上游服务器之间中继双向数据。
  • 网络服务器经由安全的TCP / IP连接,无论是有线或无线连接到多个网关; 消除了重复的消息; 决定哪个网关应结束节点消息作出反应; 并管理具有自适应数据速率(ADR)方案来最大化网络能力和延伸端节点的电池寿命端节点的数据速率。
  • 应用服务器收集并从端节点分析数据并确定端节点行动。

洛拉网络四个主要块和两个安全层的图

图4:LoRa网络具有四个主块和两个安全层。(图像源:LoRa联盟)

端点通信通常是双向的,但LORA还支持功能,诸如软件升级组播操作。许多竞争协议,诸如ZigBee,采用其中每个末端节点接收一个网状拓扑并且重传从另一端节点的信息。这种方法增加了网络的覆盖范围和小区大小,但增加的通信开销增加了复杂性,降低了网络容量,和增加了各个节点的功率消耗。

LORA端节点分类

有三类终端节点设备。这三类允许双向通信,并可以通过网关发起上行到服务器。他们,当他们接受传入服务器消息不同。

甲LoRaWAN A类设备消耗最少的功率。一个端节点仅允许在两个短接收可打开的用于上行链路传输状态在短时间内窗口从所述服务器通信。从在其他任何时间服务器的消息必须等到下一个预定上行时间。A级设备是异步的。端点开始每当它有数据要发送的传输,然后等待预先设定的时间,并监听响应。

一LORA B类设备提供了一个类的功能,同时也开启在预定的时间额外的接收窗口。与网络同步,B级节点接收到来自每128秒网关同步信标时间。它被分配128秒让当端设备监听的服务器知道内的时隙。

甲洛拉C类设备提供几乎连续的开放接收窗口。窗户在端点发送只被关闭。在需要接收的,而不是传送的大量数据的C类设备是合适的。

LoRaWAN安全

强大的安全性是任何LPWAN设计的一个关键要素。LoRaWAN使用AES 128位加密和有安全的两个独立的层,网络会话密钥(NwkSKey)和一个应用程序会话密钥(AppSKey)(图5)。

数据的流从一个洛拉端设备到应用程序的图

图5:将数据从LORA端设备到应用的流包括在开始和链端的加密和解密,因此,只有在端节点传感器和应用程序可以访问明文数据。(图像源:微晶片科技)

网络安全层确保网络中的节点的真实性,并且应用安全层确保了网络运营商不具有访问最终用户的应用程序数据。

有两种方法来部署的关键:

  • 由个人应用(ABP)的激活:在这里,LoRaWAN端设备可以是工厂对特定LoRaWAN网络认证信息编程。
  • 过度的空气激活(OTAA):它使用一个应用程序ID,一个唯一的设备ID,和以导出NwkSKey和AppSKey网络分配的设备地址。此方法是优选,因为密钥不预先确定,并且可以再生。

入门LORA发展

制造商为设计人员提供了一系列与从单个设备到完整的开发套件的集成度LORA选项。

升特公司的SX1279单芯片收发器洛拉可以涵盖欧洲和北美ISM频段(图6)。根据不同的适用的法规,该装置提供信道带宽从7.8 kHz至500千赫和扩频范围从6到12的因素。

升特SX1279的图(点击查看全尺寸)

图6:升特SX1279提供了有效的位速率从18个比特/秒到37.5千比特/秒,更广泛的比LoRaWAN允许。(图像源:升特公司)

在模块级,Microchip的,LORA IP的许可,提供RN2483为868 MHz的欧洲应用和RN2903 LORA北美915 MHz的应用程序(图7)。两个模块包含具有LORA协议栈,兼容LORA无线电收发器,其提供所述设备与唯一的EUI-64的标识符的串行EEPROM,和14的输入/输出应用专用微控制器(I / O)引脚作为模拟或数字传感器输入,开关,或状态指示器。

这些模块被设计为A级的使用和实现具有集成18.5分贝毫瓦(dBm的)输出高效率的功率放大器(14 dBm的在RN2483),加上-146 dBm的接收器灵敏度的远程操作。

Microchip的RN2903端节点的图

图7:一种典型的RN2903末端节点可包括输入和输出的功能。可选的ICSP端口可以用来更新固件。(图像源:微晶片科技)

在板级,Microchip提供DM164139莫特,一类基于所述RN2903 LORA调制解调器甲端设备。微尘是提供用于RN2903的远程功能的方便演示平台独立的电池供电的节点。

微尘包括光传感器和温度传感器。该数据传输可以通过按下按钮来启动,或在一个固定的时间表传送。的LCD显示信息,诸如连接状态,传感器值,或下行链路数据。

该板通过USB 2.0微-B连接器,提供访问RN2903的UART接口连接到一台计算机。所述UART允许通过高电平ASCII命令集快速设置和车载LoRaWAN协议栈的控制。

该RN2483调制解调器拥有自己的莫特板,DM164138。

最后,DV164140-2 LORA网络评估套件,还从Microchip的,包括两个RN2903莫特板和一个网关板(图8)。这很容易让设计人员能够评估一个完整的915 MHz的LORA系统的能力。甲姐姐试剂盒,所述DV164140-1,占地面积868级兆赫的应用程序。

Microchip的DV164140-2(915MHz的)和DV164140-1(868兆赫)LORA评估套件的图像

图8:Microchip的DV164140-2(915MHz的)和DV164140-1(868兆赫)洛拉评估套件包括两个莫特板,网关芯板,和无线电板(左到右)。(图像源:微晶片科技)

网关板由一个核心板和一个附加的无线电板。它包括一个液晶屏,配置数据,以太网连接,天线,以及全频段捕获的无线电的SD卡。

通过提供电力和通信的USB线缆网关板接口连接到PC主机。此外,以太网电缆被连接在核心板和用于在网关和服务器之间的通信的计算机的局域网(LAN)连接器之间。

微尘开发板通过其自己的USB接口连接到主机。

网络评估工具包软件

该评估套件软件包括Microchip的LORA开发套件,它可以不受Digi-Key的DV164140-2下载的产品页面。适用于Mac,Windows或Linux机器,该套件建立在主机操作系统下运行而无需外部网络连接的LoRaWAN网络服务器的本地版本。该开发套件创建一个自包含的示范网,使测试LORA网络方便快捷。

在内部,LORA开发套件利用码头工人,一个开源开发平台上运行的应用程序集装箱的。泊坞窗允许Oracle虚拟机(VM)在Windows,Mac或Linux环境(图9)进行操作。VM主机,在随后运行LORA评估服务器的泊坞引擎。评估服务器通过以太网端口,数据中继到通过LORA链接RN模块网关板通信。

Microchip的洛拉网络评估板的图

图9:LoRa网络评估板实现该主机计算机的操作系统下运行的评价LoRa服务器。(图像源:微晶片科技)

该LORA开发工具Java运行时环境(JRE),一套软件工具,允许开发Java应用程序中运行。此程序可允许用户执行一系列任务,如:扫描网络以新终端设备; 授予他们访问网络; 创建一个新的应用服务器; 并配置网络(图10)。

LORA开发工具的图片

图10:LORA开发工具,可以从评估套件的产品页面下载控制许多LORA评估套件的功能,包括网络配置。(图像源:微晶片科技)

结论

LoRa协议满足的一个重要的IoT需要远距离,低功耗,低数据速率的通信。本文讨论的LORA物理层和LoRaWAN规范,使这成为可能,并强调各种设备和试剂盒,可帮助设计人员迅速在一系列目标应用的评估Lora的性能。

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