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LoRa解决方案开发,终端设备设计指南

2017-09-26 21:31:06

因为应用在广阔的行业内,在传感器、执行器、供电、通信延时等不同的要求,让LoRaWAN的End Node呈现种类繁多的形态。同时,80%的共性还是存在的,包括:整体架构、LoRaWAN协议栈、软件开发模式等。

1 整体架构

一般说来,一个End Node硬件包括以下四部分:

MCU:实现LoRaWAN协议栈、控制LoRa射频、驱动外设和实现应用程序;

LoRa radio:实现LoRa信号接收与发送;

外设:驱动传感器、控制I/O端口等;

供电:通过电池或市电给整个系统提供电源。

一个End Node的软件包括:

驱动层:主要是驱动总线,从而与LoRa射频、传感器和执行器通信;

中间件:包括LoRaWAN协议栈和能耗管理;

应用层:满足用户的业务需求,如采集数据并初步加工,定时上传等。

2 产品方案

设计一个End Node至少有3种方案:chipset、module和modem。

2.1  Chipset

硬件:选购一款低功耗的MCU,采购SX127x射频芯片,设计RF电路,实现PCB,调试天线和射频匹配,连接传感器或执行器。

软件:MCU实现LoRaWAN协议栈,控制SX127x射频电路,驱动外设,实现用户应用。

优点:取得最大灵活性,硬件成本可控。

缺点:难度大,周期长,研发和测试成本高。

2.2  Module

硬件:连接传感器或执行器。

软件:MCU实现LoRaWAN协议栈,驱动外设,实现用户应用。

优点:省去硬件设计,有成熟的开发与测试平台。

缺点:自行实现LoRaWAN,软件方面有挑战。

2.3  Modem

硬件:选购一款低功耗MCU,通过UART(或SPI等)连接LoRa Modem,连接传感器或执行器。

软件:MCU控制LoRa Modem,驱动外设,实现用户应用。

优点:难度小,时间短,研发和测试成本低。

缺点:硬件成本高,LoRaWAN协议栈升级依赖厂商。

针对上面三种方案,一个EndNode该如何选择呢?这依赖下表的因素。

3 软件开发

一个End Node的软件开发依赖上述三种方案的选择:

Chipset:根据MCU选择合适的IDE(如:IAR或Keil等),是否需要移植OS,移植官方的LoRaWAN协议栈,可以从以下链接获取官方源代码:https://github.com/LoRa-net/LoRaMac-node

Module:一般而言,供应商提供IDE、OS等平台,用户需要实现或管理LoRaWAN。

Modem:这是难度最小的方案,根据Modem提供的命令集,初始化LoRaWAN协议栈,读取和发送数据包。

4 选择天线

工作在470MHz(中国地区)的End Node,1/4波长的天线约16.0cm。有3种可选的天线方案。

专用OEM天线:设计专用的天线可以达到最佳的发射功率和接收灵敏度,然而,这需要一个高品质的天线厂商,成本较高。

PCB天线:对覆铜的要求高,走线的曲直和宽窄都影响天线的性能。

1/4波长天线:实现简单,但容易因天线长度和绕线而引入个体误差,在使用中需要保证天线外形稳定,否则会影响性能。

5 降低功耗

节能是一个细致功夫,它包括:MCU选型、电路设计、管脚控制、工作模式、开关外设和软件算法等。考察一个End Node的功耗,至少需要了解以下5种模式的功耗和占空比(该模式占用多长的时间)。

休眠:MCU,RF和外设都关闭,一般仅RTC工作;

空闲:除MCU外,其他都关闭;

运行:除RF外,其他(包括MCU和外设)运行;

接收:侦听或接收一个数据包;

发射:发射一个数据包;

关于节能更多资料请链接:http://www.rimelink.com/nd.jsp?id=53&_np=107_316

6 固件升级

以下2个原因限制了通过LoRa无线升级End Node的固件:

LoRa速率低,并且ISM频段有duty cycle法规,不适合传输较大的数据块;

每个End Node有2个Key(NwkSKey和AppSKey)的密钥,除非它们的Key都相同,否则无法组播(或广播)升级固件。

可见,固件的升级还是依赖厂商使用特殊的工具,如:通过UART或USB升级,通过蓝牙或红外升级等。

 

关于:中科研拓

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