Microchip Technology Inc.
無線解決方案產品部
Ramya Kota

LoRa®（遠距離）技術可將遠距離無線連接與低功耗性能相結合，從而擴展物聯網（IoT）的覆蓋范圍。從智慧城市到智慧農業再到供應鏈跟蹤，LoRa可滿足各種需求，非常適合用于構建在城市和郊區環境中均可運行的靈活IoT網絡。

但是，要開發一個全新的LoRa解決方案或移植到一個全新的LoRa解決方案，難度究竟如何？

這需要對全新的無線技術有所了解，并能夠挑選出適合您應用的解決方案，整個過程可能會讓人心力交瘁。無線射頻（RF）設計通常需要深入的RF專業知識，而且會占用設計人員大量的開發時間。

本文將介紹LoRa網絡架構的四個主要元素，并詳細討論設計人員在開發LoRa終端節點時面臨的一些最常見的挑戰。我們還會介紹在幫助克服這些挑戰并縮短上市時間方面，經過法規認證的LoRa模塊有何作用。

LoRaWAN網絡架構

LoRa是一種無線調制技術，也是物理層，支持低功耗終端設備進行遠距離通信。LoRaWAN是一種無線聯網協議，用作介質訪問控制（MAC）層，并在LoRa物理層之上實現。LoRaWAN規范詳細說明了通信協議和網絡架構，旨在確保終端設備之間的安全通信以及網絡內的互操作性。

LoRa網絡有四個要素，具體如圖1所示。

圖1. LoRa網絡的四個要素（圖片來源：LoRa聯盟）

1. 終端節點是LoRa生態系統的構成要素，用于收集傳感器數據以及發送/接收數據。這些要素通常采用遠程連接方式，并由電池供電。

2. 網關是終端節點與網絡服務器之間的透明網橋。通常，終端節點通過LoRaWAN連接到網關，而網關利用Wi-Fi®、以太網或蜂窩等高帶寬網絡連接到網絡。

3. 一個網絡服務器可以連接到多個網關，能夠從多個網關收集數據并過濾掉重復消息，決定哪個網關應該對終端節點消息做出響應，并調整數據速率以延長終端節點的電池壽命。

4. 應用服務器從終端節點收集數據并控制終端節點設備的動作。

下面我們來詳細了解一下LoRa終端節點的概念，以及進行相關設計時會遇到的挑戰。 

設計LoRa終端節點的常見挑戰

終端節點是比較簡單的對象，例如傳感器和執行器。通常，這些對象就是物聯網（IoT）中的“物”。在LoRaWAN生態系統中，終端節點通過一個或多個網關與網絡服務器通信。

大多數情況下，LoRa終端節點都是低成本的電池供電類應用，需要具有高成本效益和高能效。有多種方案可用于構建LoRa終端節點，具體取決于開發時間、目標成本、功耗和具備的RF專業知識。在研究可用于構建LoRa終端節點的方案之前，我們先來看看設計人員在設計終端節點時面臨的一些最常見的挑戰，這有助于我們挑選合適的產品。

在設計這種終端節點架構時，以下領域的挑戰最為常見：

1. RF設計

與所有其他無線設計一樣，設計LoRa終端節點也需要具備大量的RF設計專業知識。在使用LoRa SoC/SiP時，終端節點設備開發人員負責整個RF設計，包括原理圖、BOM、PCB布局、天線調諧和其他射頻硬件。即使備有可靠實用的文檔和應用設計指南，RF設計也并不總是那么容易。設計過程不僅需要深入的RF專業知識，而且還會占用設計人員大量的開發時間。調試RF設計通常還需要特殊設備，這進一步增加了開發成本。為了克服RF設計挑戰，一些供應商會提供附帶各種支持的SoC/SiP，其中包括非常實用的文檔、經過法規認證的參考設計和內容詳盡的芯片級設計包。然而，要想盡可能縮短開發時間并降低風險，已針對射頻進行優化、測試和認證的LoRa模塊總是最佳選擇。這類模塊可以用作單個組件以提供完整的解決方案，從而降低設計風險并縮短開發時間。

2. 合規性與認證

LoRa/Sub-GHz無線電通常在免許可的ISM頻段運行，并且頻率會因地區而異，這對硬件和軟件設計人員來說是一項挑戰。設計人員必須小心謹慎，以確保設計出完全合規的解決方案，同時盡可能降低BOM成本。此外，RF法規要求不斷變化，跟上法規變化、重新測試設備和重新認證合規性可能需要終端節點開發公司投入數千美元和大量的工程時間，而這些資金和時間本可以用于新項目。使用經過認證的LoRa模塊可以輕松解決這個問題，因為模塊制造商會負責滿足最新法規要求，并重新認證模塊以符合最新規范。若選擇經過法規認證的LoRa模塊，則可以完全避免花費在確保合規性上的所有成本和時間。

3. 多地區工作

LoRa設備支持不同地區的多種工作頻率。終端節點制造商通常會先在一個主要地區發布其終端產品。一旦需求增加，公司就會考慮擴展相同設計的應用范圍，以覆蓋其他地區。若擁有一個支持多個地區的SKU，則可以將最終產品無縫移植和擴展到不同的國家和地區。經過法規認證的LoRa模塊適用于多個頻段，是此類產品擴展的理想選擇。

4. 可靠的軟件

通常，LoRa模塊將整個LoRaWAN協議棧集成在模塊內部，終端節點開發人員只需實現模塊的初始化和通信即可。  對于LoRa SoC/SiP和獨立的LoRa模塊，協議棧必須由制造商提供，如果沒有提供，則開發人員必須自行開發協議棧。為了最大限度地減少軟件開發工作，建議選擇制造商的LoRaWAN協議棧支持的LoRa模塊/IC。制造商提供的經過驗證的LoRaWAN協議棧可確保終端節點與主要LoRaWAN網絡和網關之間的互操作性，使終端節點能夠在不同的網絡上工作，同時降低風險。

5. 從模塊到SoC的移植方案

許多公司基于經過認證的模塊著手進行原型設計和初始生產運行，以期降低風險并加快其產品的上市步伐。在其產品開始生產爬坡后，公司可能會決定轉為使用LoRa SoC/IC，以提高靈活性或降低BOM成本。移植并非總是簡單易行，因此務必考慮選用允許在模塊與IC之間進行簡單軟件移植的獨立模塊。此外，必須選擇同時銷售模塊和SoC的供應商，以便開發平臺、軟件移植和支持結構可以保持不變。 

經過法規認證的LoRa模塊有助于克服挑戰并簡化LoRa終端節點設計

LoRa模塊包含所有必需的無線電元件以及LoRaWAN協議棧和RF電路，因此是加快LoRaWAN終端設備開發速度的理想選擇。RF開發和認證由模塊制造商執行，因此認證規范的任何變更或組件更換都完全由制造商處理，從而為終端設備制造商節省了大量的開發時間和重新認證成本。

獨立LoRa模塊具有高度集成的LoRa IC，可提供足夠的內存來運行應用程序代碼以及LoRaWAN協議棧。這樣一來，便無需使用外部單片機，可以節省電路板空間和系統成本。下面的圖2和圖3給出了這種獨立模塊的簡單示例。WLR089U0模塊基于Microchip的SAM R34/35系列IC，是一款緊湊型模塊，具有256 KB閃存和40 KB RAM，非常適合空間受限的應用。此外，該模塊還集成有RF開關，可實現多頻段工作，并允許在多個地區使用同一模塊，從而更加輕松地擴大終端產品的市場。WLR089U0還受Microchip久經考驗的LoRaWAN協議棧和專有的點對點軟件支持，正在開發LoRa應用的最終用戶可借此簡化軟件開發過程。這類模塊基于SAM R34/35 IC，因此在模塊與IC之間的移植也更加簡單。選擇這類模塊有助于在開發LoRa終端節點時克服所有常見的設計挑戰，從而簡化整個設計過程。

圖2. WLR089U0 LoRa模塊框圖

圖3. WLR089U0 LoRa模塊

結論

開發LoRa終端節點既復雜又耗時。高度集成且經過認證的LoRa模塊提供了一種簡單、成熟的方法來克服設計這些終端節點所涉及的復雜挑戰。可靠的軟件、更大的內存、集成的RF開關和法規認證是LoRa模塊的一些關鍵特性。選擇經過嚴格認證的LoRa模塊不僅有助于簡化設計過程，還能讓終端節點開發人員成功使其產品脫穎而出并更快地將其推向市場。

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