為了使物聯網(IoT)獲得成功，實施至關重要，但是交付解決方案(例如位置感應設備)通常需要采用整體的方法。

高質量模擬和混合信號半導體產品供應商Semtech公司的LoRa Edge地理位置解決方案利用直接解調和云計算等先進技術，不僅提高了效率，而且降低成本，并加強易用性，從而很好地展示了這種整體設計方法。

基于傳統技術的位置感測設備面臨的一個常見問題是，其解決方案通常需要在電路板級集成多個射頻(RF)前端，因為除非集成商知道標簽將只在嚴格控制的環境中使用，否則它們必須能夠從多個源獲取位置信息。

雖然全球導航衛星系統(GNSS)服務在室外運行良好，但室內定位通常需要能夠接收Wi-Fi信號進行定位。還需要另一個RF接口來支持低功耗射頻通信，以滿足物聯網應用。

Semtech公司的解決方案使用軟件定義的無線電技術，將這三個單獨的RF前端集成為一個單元。來自三個天線的信號通過低噪聲放大器傳輸到單個模數轉換器(ADC)，該轉換器直接饋入數字解調器。這使得處理從1GHz以下頻段的LoRa通信到北斗和GPS衛星群傳輸的信號等各種信號成為可能。

使用軟件定義的無線電，可以將信號駐留在輸入信號的特定部分中，而不必浪費資源，這些元素可以根據情況調整功能，并最大限度地延長了電池壽命。

定位信號處理的一個例子是地理位置標記需求的核心，它可以在室內和室外使用。當標簽被要求獲取其位置時，它必須確定哪種定位技術是最好的。如果標簽在室外，它應該能夠很容易地檢測到GNSS信號。LoRa Edge通過低功耗掃描模式使用這一原理，當外部控制器試圖獲取位置時，可以激活這一模式。

在LoRa Edge地理位置解決方案中，固件將處理GNSS頻帶上預期的信號長達0.65秒。僅當接收器檢測到信噪比大于-134dB的GNSS信號時，接收機才會嘗試進一步處理。如果成功，則接收器固件會將其處理方式更改為具有更高靈敏度的算法，以嘗試找到多達8顆信號強度超過-141dB的衛星。

如果衛星數量足夠，接收器將獲得足夠的數據，以支持在1.65秒內進行精確定位。一旦捕獲到信號，接收器就可以停止處理以節省電力，這與傳統的GNSS接收器不同，后者可以繼續接收信號。

這種定位解決方案不會嘗試本地處理接收到的衛星數據，而是將數據元素組合成一條消息，然后將其傳輸到云端服務器以進行處理，從而減輕了將接收到的衛星消息轉換為準確的定位信號所需的大量處理工作。

如果GNSS不可用，LoRa Edge地理定位芯片組可以切換到2.4GHz天線的解碼信號。與GNSS實施一樣，RF引擎不會嘗試完全解碼和處理數據。它只關注遠程云計算服務利用Wi-Fi協議的結構來確定準確定位所需的那些元素。

RF引擎無需完全依賴被動掃描就可以將任何數據傳輸到附近的Wi-Fi路由器。在WiFi掃描模式下，接收器捕獲符合2.4GHz頻段上使用的802.11b、g或n型協議的信號。接收器固件可以通過監聽Wi-Fi路由器，并在傳輸任何有用數據之前使用的前導碼來挑選合適的數據包。一旦接收到包數據的第一個字節，固件就會解調信號并捕獲字節，直到它擁有完整的接入點MAC地址。在這一點上，不需要監聽來自WiFi接入的更多數據。它將簡單地存儲地址和相關的信號強度值，然后關閉射頻前端以節省電力。

通常情況下，為了能夠從Wi-Fi獲得準確的定位，主機將需要捕獲附近幾個接入點的MAC地址。因此，主機控制器可以連續多次激活被動掃描模式，直到有足夠的能力為止。為了避免浪費Wi-Fi接入區域的電力， RF引擎可以實施超時模式，如果沒有有效的數據包發送出去，則自動禁用接收器，直到主機控制器決定重試為止。

一旦主機具有MAC地址列表和信號強度指示，主機就可以將其與GNSS數據一樣，將數據傳遞到云平臺以轉換為地理位置。利用云計算技術，不僅可以進行優化，而且還可以從接收到的RF信號中提取盡可能多的信息，從而將電池壽命從數月延長至兩到三年。

RF引擎的軟件定義性質允許進一步優化成本。訪問云計算服務以傳輸位置請求和其他物聯網數據無需使用其他RF設備。當接收器完成對GNSS數據的獲取后，主機控制器可以將RF引擎切換為無線電模式，以訪問其提供的LoRa WAN訪問功能。發送打包數據后，RF引擎可以切換到準備響應的接收模式，或者切換到低功耗的待機模式進行等待，直到排定的時間從遠程服務器接收指令或響應。

安全功能

LoRa Edge地理位置解決方案的配置方式意味著對數據包發送位置的選擇完全是集成商或服務運營商的選擇。LoRa Edge充分利用了LoRa WAN協議的安全功能。內置的安全性是LoRa WAN的關鍵組件，它為應用程序數據實現了端到端加密。這是在網絡級加密層之上的，該層用于防止未經授權的節點獲得訪問權限。

調試過程涉及到對加入服務器的請求，該服務器執行身份驗證例程，并使用基于AES的標準協議檢查設備的憑據。在身份驗證過程之后，連接服務器和設備合作創建可用于保護網絡消息的會話密鑰。然后，其設備可以使用類似的過程向用戶自己的服務器進行身份驗證。這樣，就不需要應用程序和網絡運營商共享密鑰。

網絡和應用程序服務之間的區別對于云計算定位服務和其他應用程序用例一樣重要。LoRa Cloud和LoRa Edge地理位置解決方案的設計可通過確保任何定位請求均來自客戶自己的應用程序服務器，而不是讓設備本身在網絡級別發出請求來實現這一目的。這樣，集成商可以為自己確定最佳的應用程序架構。如果應將地理位置報告回給標簽，則可以由用戶自己的系統在應用程序層進行處理。但是在許多情況下，數據不必存儲在設備本身中：可以將其保存在云中并僅在必要時進行分發。

同時，LoRa Edge地理位置解決方案的設計為用戶提供了一種方便的機制，用于存儲網絡和應用程序訪問所需的加密密鑰。使用密鑰數據對安全存儲器區域進行編程，該密鑰數據用于在啟動時加入LoRa WAN網絡，并支持存儲自定義密鑰供用戶應用程序使用的功能。作為安全存儲器，不能從設備中讀取密鑰。片上邏輯執行訪問LoRa WAN功能所需的所有安全和加密操作。

總之，由于精心選擇了從RF接口到云計算的架構和實施，LoRa Edge地理位置解決方案演示了如何使用系統級方法來實現物聯網設備的能效承諾，并為更簡單的設計提供技術支持。

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（來源：企業網D1Net）

責任編輯：PSY

原文標題：如何采用系統級方法進行物聯網設計

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