在考慮物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 傳感器的無線連接時(shí)，開發(fā)人員通常首先想到的是 Wi-Fi、Zigbee 或藍(lán)牙。但是現(xiàn)實(shí)情況是，應(yīng)用常常要求更低的功耗、更長的覆蓋距離、不同的使用模式和更低的數(shù)據(jù)速率，超出了這些技術(shù)所能提供的范圍。設(shè)計(jì)人員與其從頭開始自己設(shè)計(jì)無線接口，承受相關(guān)的成本、潛在的延遲和返工問題，不如使用現(xiàn)成模塊來實(shí)現(xiàn)各種相對(duì)較新的低功耗廣域網(wǎng) （LPWAN）。

　　這些 LPWAN 包括 Sigfox、LoRaWAN 和較新的 Radiocrafts 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （RIIoT），它們?nèi)贾荚谶B接相對(duì)簡單的工作在中采樣率的傳感器，并且能長距離（最長超過 50 km）發(fā)送短促而稀少的突發(fā)數(shù)據(jù)。此類應(yīng)用通常會(huì)規(guī)定非常嚴(yán)格的功耗約束條件，目的是最大限度地延長位于偏遠(yuǎn)或不便場(chǎng)所的傳感器的電池壽命。理想情況下，放置在此類場(chǎng)所的傳感器依賴紐扣電池或 AAA 電池將能可靠地工作長達(dá) 10 年。

　　本文將討論典型遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)感測(cè)的設(shè)計(jì)要求以及 Sigfox、LoRaWAN 和 RIIoT 的特性。接著會(huì)介紹 Pi Supply、Sigfox 和 Radiocrafts 提供的合適模塊，并說明如何使用這些模塊。

　　LPWAN 特性

　　LPWAN 的窄帶寬是其低功耗工作的秘訣之一（圖 1）。根據(jù)信息理論的基本原則，信號(hào)帶寬和信噪比 （SNR） 與信息傳輸?shù)腻e(cuò)誤率密切相關(guān)。SNR 越大或帶寬越窄，錯(cuò)誤率越低。

圖 1：LPWAN 的窄帶寬使其能夠以更低功耗在更長距離上工作。（圖片來源：Peter R. Egli，通過 Slideshare 獲得）

　　利用這種關(guān)系，LPWAN 以低輸出功率實(shí)現(xiàn)高度可靠的長距離信息傳輸。通過采用相對(duì)較低的數(shù)據(jù)速率，LPWAN 系統(tǒng)還降低了信號(hào)帶寬要求。其結(jié)果是 LPWAN 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)千米的通信距離。

　　LPWAN 系統(tǒng)的第二個(gè)關(guān)鍵特性是，它使用國際免許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué) （ISM） 頻帶 （886 - 906 MHz） 中的亞千兆赫茲 （GHz） 頻率。根據(jù)公式 1，在給定發(fā)射功率下，以這些頻率（波長更長）工作可減少自由空間路徑損耗，提升有效覆蓋范圍：

公式 1

　　其中：

　　d = 距離

　　λ = 波長

　　在較低頻率下，障礙物（例如墻壁和建筑物）吸收的射頻 （RF） 能量較少，使得 LPWAN 系統(tǒng)在城市環(huán)境中具有出色的穿透能力。

　　基于 ISM 的設(shè)計(jì)不需要許可證，但仍需要遵守關(guān)于 ISM 頻段工作的全球電源和電磁兼容性法規(guī)。

　　LPWAN 示例

　　雖然有多種 LPWAN 方案可供選擇，但對(duì)于尋求快速開發(fā)基于傳感器的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)人員而言，LoRaWAN、Sigfox 和最近推出的 RIIoT 是三種明智的選擇方案。每一種方案都有預(yù)配置的無線電和傳感器接口模塊支持，可供開發(fā)人員輕松導(dǎo)入其設(shè)計(jì)中，另外還有開發(fā)套件幫助快速完成設(shè)置及應(yīng)用開發(fā)。

　　LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)基于 LoRa 聯(lián)盟所管理的開放標(biāo)準(zhǔn)以及 Semtech Corp 擁有并授權(quán)的專有擴(kuò)頻無線電技術(shù)。該網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，允許單個(gè)節(jié)點(diǎn)與多個(gè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)漫游。它支持網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)之間的雙向通信，讓網(wǎng)關(guān)可將消息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)中繼到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以及傳送到基于云的服務(wù)器。

　　LoRaWAN 可實(shí)現(xiàn) 300 bps 到 50 kbps 的數(shù)據(jù)速率，可處理最多 243 字節(jié)的消息有效載荷，并使用 125 kHz 或 250 kHz 的信號(hào)帶寬。它支持自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率，以便在變化的條件下保持信號(hào)可靠性，并且在城市環(huán)境中實(shí)現(xiàn) 5 km 的覆蓋范圍，視距 （LoS） 可達(dá) 20 km。用戶可以開發(fā)節(jié)點(diǎn)并接入商業(yè)運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)，或者利用自己的網(wǎng)關(guān)和回程網(wǎng)絡(luò)建立專用網(wǎng)絡(luò)。

　　Sigfox 是由 Sigfox 開發(fā)和管理的專有協(xié)議，該公司將技術(shù)授權(quán)給芯片開發(fā)人員，并讓用戶可以通過全球網(wǎng)關(guān)基站訪問其網(wǎng)絡(luò)。Sigfox 可在 100 赫茲 （Hz） 信號(hào)帶寬下將數(shù)據(jù)速率保持在 600 bps，從而能夠?qū)崿F(xiàn)最大的覆蓋范圍。在無障礙視線條件下可以達(dá)到 40 km，在城市環(huán)境下可以達(dá)到 10 km。其輕量級(jí)協(xié)議將上行鏈路消息包限制為 26 字節(jié)（最多 12 字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)），因此發(fā)射器僅短暫通電。節(jié)點(diǎn)每天只能發(fā)送 140 條消息，網(wǎng)關(guān)在收到節(jié)點(diǎn)的上行鏈路消息之后，每天只能向節(jié)點(diǎn)發(fā)送下行鏈路消息 4 次。因此，節(jié)點(diǎn)無線電處于活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間非常短，大部分時(shí)間都處于休眠模式以盡量降低功耗。

　　雖然 LPWAN 無線電屬于低功耗類型，但在現(xiàn)實(shí)世界中，低功耗是一個(gè)相對(duì)意義上的術(shù)語。例如，Radiocrafts 的 Sigfox 模塊產(chǎn)品有兩個(gè)不同的功耗選擇。RC1692HP-SSM 高功耗傳感器接口模塊通過 UART 連接與主機(jī)微控制器通信，并提供 SPI、I2C、模擬和 GPIO 端口用于連接傳感器。該模塊采用 2.8 至 3.6 V 電源供電。

　　在休眠模式下，模塊消耗 1 μA 電流。在連接了傳感器的活動(dòng)模式下，空閑時(shí)消耗的電流小于 20 μA，發(fā)射時(shí)消耗的電流小于 292 mA。

　　較低功耗的 RC1682-SSM 模塊面向歐洲市場(chǎng)，消耗的電流要少得多，發(fā)射時(shí)僅為 58 mA。

　　RIIoT 是供開發(fā)人員考慮的最新 LPWAN 方案之一。它建立在 IEEE 802.15.4g/e 物理層 （PHY） 標(biāo)準(zhǔn)之上，此標(biāo)準(zhǔn)最初是為智能計(jì)量和過程控制應(yīng)用而開發(fā)的。它增加了射頻和媒體訪問控制 （MAC） 特性，支持低功耗、長距離和高級(jí)安全性。通信是通過星形網(wǎng)絡(luò)雙向進(jìn)行，提供小于 15 ms 的可預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)延遲，以支持近實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。

　　RIIoT 有兩種數(shù)據(jù)速率（5 kbps 和 50 kbps）和兩種功耗級(jí)別，以便開發(fā)人員可以優(yōu)化并權(quán)衡電池壽命、數(shù)據(jù)速率和覆蓋范圍，從而最好地滿足需求。在低功耗、高數(shù)據(jù)速率的情況下，RIIoT 網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn) 5 km 無障礙視距和 200 m 城市覆蓋范圍，突發(fā)傳輸時(shí)間為 3.5 毫秒 （ms）。在更高輸出功率和更低數(shù)據(jù)速率下，可實(shí)現(xiàn) 60 km 無障礙視距和 2 km 城市覆蓋范圍，突發(fā)傳輸時(shí)間為 45 ms。典型葉節(jié)點(diǎn)的休眠電流為 0.7 微安 （μA）。

　　構(gòu)建 RIIoT 網(wǎng)絡(luò)涉及三個(gè)主要元素：節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)控制器軟件。單個(gè)葉節(jié)點(diǎn)使用像 Radiocrafts RC1880CEF-SPR 這樣的模塊，其中集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 以及 GPIO、I2C、SPI 和 UART 接口。這些節(jié)點(diǎn)可與使用了兼容 RC1880CEF-GPR 模塊或 USB 適配器的 Linux PC 進(jìn)行無線通信。其中帶有 RC1880CEF-GPR 模塊的電路板可插入 PC 擴(kuò)展槽，USB 適配器則通過 PC 的 USB 端口連接。

　　要將 PC 完全變成 RIIoT 網(wǎng)關(guān)，開發(fā)人員須安裝第三個(gè)元件——RIIoT 網(wǎng)絡(luò)控制器中間件。該軟件不僅管理網(wǎng)絡(luò)（包括對(duì)葉節(jié)點(diǎn)的無線固件更新），而且還將數(shù)據(jù)和命令轉(zhuǎn)換為 JSON 對(duì)象，以簡化與云端的連接。

圖 3：完整 RIIoT 網(wǎng)絡(luò)包含葉節(jié)點(diǎn)、托管網(wǎng)關(guān)模塊的 Linux PC 和控制器軟件。（圖片來源：Radiocrafts）

　　RIIoT 在基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn) IEEE202.15.4 之上增加的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容是能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)端到端安全性。Sigfox 不支持加密，LoRaWAN 支持在節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的無線鏈路中進(jìn)行加密，而 RIIoT 則進(jìn)一步提高了安全性。

　　借助 RIIoT，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的安全密鑰，使得從節(jié)點(diǎn)一直到與之交互的云端應(yīng)用，消息始終處于加密狀態(tài)。網(wǎng)關(guān)只管傳送加密消息，而不需要訪問其內(nèi)容。

　　使用模塊和套件加快設(shè)計(jì)：RIIoT

　　對(duì)于希望實(shí)現(xiàn) LPWAN 物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)人員來說，可以利用針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)提供的眾多預(yù)配置射頻和傳感器接口模塊之一，來加快設(shè)計(jì)工作。此類模塊已經(jīng)解決了射頻設(shè)計(jì)、功耗最小化和協(xié)議實(shí)現(xiàn)方面的所有棘手問題，因而基本上是可以直接插入主機(jī)處理器的通信設(shè)備。此外，這些模塊已經(jīng)過預(yù)先認(rèn)證，符合 ISM 頻段的法規(guī)要求。雖然開發(fā)人員仍會(huì)需要對(duì)其最終產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證，但由于無線電元件已通過驗(yàn)證，最終認(rèn)證將變得更加容易和確定。

　　這些模塊還通過提供內(nèi)置傳感器接口和控制邏輯來幫助加快設(shè)計(jì)。例如，Radiocrafts 的 RC1880CEF-SPR 具有用于 ADC 模擬輸入的接口，用于開關(guān)的 GPIO，用于兼容傳感器的 I2C 和 SPI，以及用于連接到主機(jī)處理器的 UART（圖 4）。開發(fā)人員可以直接將此模塊導(dǎo)入設(shè)計(jì)中，解決了系統(tǒng)的無線通信和傳感器接口兩方面的需求。該模塊可進(jìn)行編程以自行處理傳感器的設(shè)置、控制和采樣，從而簡化應(yīng)用處理器的任務(wù)。傳感器和通信看起來就像是存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)用代碼的讀寫操作。

圖 4：LPWAN 系統(tǒng)模塊可以同時(shí)包含無線電和傳感器接口，因而更易于整合到物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)中。（圖片來源：Radiocrafts）

　　開發(fā)套件（例如 RC1880-RIIOT-DK）可幫助開發(fā)人員快速建立完整的端到端 RIIoT 網(wǎng)絡(luò)以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該套件包括用于構(gòu)建完整網(wǎng)絡(luò)的葉節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)模塊和系統(tǒng)軟件。它還包括用 C 語言對(duì)葉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編程的軟件工具，以便處理所連的傳感器。

　　用于 LoRaWAN 和 Sigfox 的模塊與開發(fā)套件

　　LoRaWAN 還有現(xiàn)成的預(yù)配置模塊可用來輕松實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。Pi Supply 的 PIS-1019 RAK811 LoRaWAN 模塊就是一個(gè)很好的例子。

　　此器件為主機(jī)微控制器提供了串行端口，以便主機(jī)微控制器使用標(biāo)準(zhǔn) AT 命令控制該模塊。為了幫助建立一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)，PIS-1019 的 PIS-1037 開發(fā)套件包含了網(wǎng)關(guān)集中器模塊，該模塊可以將主機(jī) PCIe 控制器變成網(wǎng)關(guān)/路由器接入點(diǎn)。

　　Radiocrafts 也有完整的 Sigfox 開發(fā)套件，例如用于 RC1692HP-SSM 射頻模塊的 RC1692HP-SSM-DK 套件和用于 RC1682-SSM 射頻模塊的 RC-1682-SSM DK。這些套件開箱即用，支持 Sigfox 無線電模塊測(cè)試和開發(fā)。這些套件帶有溫度和濕度傳感器、加速度計(jì)以及霍爾效應(yīng)傳感器。

　　但是，使用 Sigfox 的開發(fā)人員無法選擇創(chuàng)建自己的網(wǎng)絡(luò)。Sigfox 負(fù)責(zé)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)與回程的運(yùn)營和維護(hù)，用戶需要支付使用費(fèi)。不過，這些模塊配有預(yù)編碼的 ID 和加密密鑰，一旦注冊(cè)，只需極少量的設(shè)置工作就可以開始將數(shù)據(jù)傳送到 Sigfox 云。

　　總結(jié)

　　對(duì)于希望將低數(shù)據(jù)速率傳感器以低功耗方式遠(yuǎn)距離連接到物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)人員而言，RIIoT、LoRaWAN 和 Sigfox 等 LPWAN 解決方案是 Wi-Fi、Zigbee 或許可蜂窩網(wǎng)絡(luò)的出色替代方案。每種方案都有自己的優(yōu)勢(shì)，但所有方案都能解決從智能電表到智能農(nóng)業(yè)的各種應(yīng)用。