設(shè)計(jì)人員可以使用各種各樣的無線技術(shù)將產(chǎn)品連接到物聯(lián)網(wǎng) (IoT)。每種技術(shù)適用于不同的應(yīng)用，需要設(shè)計(jì)人員仔細(xì)考慮作用距離和數(shù)據(jù)速率、成本、功耗、體積和外形等因素。
本文將介紹 LoRa 協(xié)議，比較其相對其他協(xié)議的優(yōu)勢，并介紹幾種產(chǎn)品和開發(fā)工具包，讓工程師們快速開發(fā)出基于 LoRa 的系統(tǒng)。
無線物聯(lián)網(wǎng)折衷考量
每種無線技術(shù)都有其強(qiáng)弱點(diǎn)。例如，標(biāo)準(zhǔn) Wi-Fi 可以高速傳輸大量數(shù)據(jù)，但作用距離有限。蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了高速和遠(yuǎn)距離優(yōu)勢，但功率不足。
像遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、城市照明控制、天氣監(jiān)測和農(nóng)業(yè)這樣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用擁有不同的優(yōu)先級組合。在這些應(yīng)用中，像天氣條件、土壤含水量或路燈開關(guān)之類數(shù)量測量或控制，在較長的時(shí)間內(nèi)變化都很慢。
此外，傳感器節(jié)點(diǎn)往往會(huì)相距幾英里，并且由電池供電，因此最佳的無線協(xié)議必須能夠以最小功耗長距離發(fā)送小數(shù)據(jù)包。LoRa 協(xié)議正是因應(yīng)此類要求而設(shè)計(jì)的。
LoRa 技術(shù)概覽
LoRa 針對的是低功率、廣域網(wǎng)（LPWAN）應(yīng)用。其作用距離超過 15 公里，連接節(jié)點(diǎn)可達(dá) 100 萬個(gè)。低功耗與長距離極限的組合可將最大數(shù)據(jù)速率提升至每秒 50千比特（Kbps）。
LoRa 是 Semtech Corporation 擁有的專有專利技術(shù)，運(yùn)行在 ISM 頻段。根據(jù)地區(qū)的不同，ISM 的頻率分配和監(jiān)管要求不盡相同（圖 1）。兩個(gè)最受歡迎的頻率是歐洲使用的 868 兆赫（MHz），北美使用的 915 MHz。其他地區(qū)，特別是亞洲地區(qū)也有不同的要求。
| 歐洲北美頻段867-869 MHz902-928 MHz頻道數(shù)1064 + 8 + 8上行頻道帶寬125/250 kHz125/500 kHz下行頻道帶寬125 kHz500 kHz上行發(fā)射功率+14 dBm+ 20 dBm（典型值）（允許 +30 dBm）下行發(fā)射功率+14 dBm+27 dBmSF 范圍7-127-10數(shù)據(jù)速率250 bps - 50 kbps980 bps - 21.9 kbps上行鏈路預(yù)算155 dB154 dB下行鏈路預(yù)算155 dB157 dB |
圖 1：兩個(gè)廣泛使用 ISM 頻段的地區(qū)歐洲和美國的 LoRa 規(guī)范比較。（圖片來源：LoRa 聯(lián)盟）
LoRa 物理層使用擴(kuò)頻調(diào)制 (SSM)（圖2）。SSM 以較高的頻率序列對基本信號(hào)進(jìn)行編碼，特意在較寬帶寬上擴(kuò)散基本信號(hào)，降低了功耗，并增加了電磁抗干擾能力。
圖 2：擴(kuò)頻系統(tǒng)將輸入數(shù)據(jù)乘以更快的擴(kuò)展信號(hào)帶寬的代碼序列。（圖片來源：Semtech Corporation）
基本信號(hào)的擴(kuò)頻因子 (SF) 是可變的，代表的是一種折衷。 對于既定的可用帶寬，較大的擴(kuò)頻因子降低了比特率，但也因?yàn)樵黾觽鬏敃r(shí)間而減少了電池壽命。
指定擴(kuò)頻因子 (SF) 和帶寬 (BW) 將按以下公式確定比特率：
LoRa 允許有六個(gè)擴(kuò)頻因子（SF7 - SF12）和三個(gè)不同的帶寬（125 kHz，250 kHz，500 kHz）。允許的擴(kuò)頻因子和帶寬由地區(qū)管制機(jī)構(gòu)確定。例如，北美規(guī)定帶寬為 500 kHz，擴(kuò)頻因子為 7 到 10。
由于采用擴(kuò)頻技術(shù)，不同數(shù)據(jù)速率的消息是正交的，并且通過創(chuàng)建一組“虛擬”頻道，增加了網(wǎng)關(guān)容量，因而彼此相互不干擾。
LoRa 方案基于稱為線性調(diào)頻擴(kuò)頻 (CSS) 調(diào)制的 SSM 變體（圖 3）。CSS 使用“線性調(diào)頻”對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，基本上是一種隨時(shí)間增減的寬帶調(diào)頻正弦信號(hào)。
圖 3：CSS“上掃頻”既可以跟隨頻率相對時(shí)間的多項(xiàng)式表達(dá)式，也可以展現(xiàn)如這里所示的線性關(guān)系。（圖片來源：維基百科）
CSS 非常適合需要低功率消耗的低數(shù)據(jù)速率（<1 Mb/s）應(yīng)用。IEEE 802.15.4a 是另一個(gè)低速率標(biāo)準(zhǔn)，將 CSS 指定為在無線個(gè)人局域網(wǎng) (LR-WPAN) 中所用的技術(shù)。CSS 已經(jīng)使用了許多年，在軍事和空間應(yīng)用中提供穩(wěn)健的長距離通信，但是 LoRa 是第一個(gè)低成本的商業(yè)實(shí)現(xiàn)。
LoRaWAN 和 LoRa 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
LoRaWAN 規(guī)范定義了 LPWAN 的媒體訪問控制 (MAC) 層。LoRaWAN 在 LoRa 物理層之上實(shí)現(xiàn)，并指定了通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這些功能對多個(gè)性能參數(shù)有很大的影響，其中包括：
節(jié)點(diǎn)的電池壽命
網(wǎng)絡(luò)容量
網(wǎng)絡(luò)安全
所服務(wù)的應(yīng)用
LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中每個(gè)端節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與多個(gè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。
LoRa 網(wǎng)絡(luò)有四個(gè)要素（圖 4）：
端節(jié)點(diǎn)收集傳感器數(shù)據(jù)，將其傳輸至上游，并從應(yīng)用服務(wù)器接收下游通信數(shù)據(jù)。端點(diǎn)設(shè)備使用單跳無線通信方式與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。
集中器/網(wǎng)關(guān)充當(dāng)透明網(wǎng)橋，并在端節(jié)點(diǎn)和上游服務(wù)器之間中繼轉(zhuǎn)發(fā)雙向數(shù)據(jù)。
網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過有線或無線式安全 TCP/IP 連接與多個(gè)網(wǎng)關(guān)連接；消除了重復(fù)消息；決定哪個(gè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)該響應(yīng)端節(jié)點(diǎn)消息；并使用自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率 (ADR) 方案管理端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)速率，以最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)容量并延長端節(jié)點(diǎn)的電池壽命。
應(yīng)用服務(wù)器會(huì)收集和分析端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并確定端節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作。
圖 4：LoRa 網(wǎng)絡(luò)有四個(gè)主要塊和兩個(gè)安全層。（圖片來源：LoRa 聯(lián)盟）
端點(diǎn)通信通常是雙向的，但是 LoRa 還支持像軟件升級這樣的多播操作。許多競爭協(xié)議，如 ZigBee，采用網(wǎng)狀拓?fù)?，其中各個(gè)端節(jié)點(diǎn)從其他端節(jié)點(diǎn)接收和重發(fā)信息。這種方法增加了網(wǎng)絡(luò)的范圍和蜂窩的大小，但是增加通信開銷也增加了復(fù)雜性，降低了網(wǎng)絡(luò)容量，并增加了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗。
LoRa 端節(jié)點(diǎn)分類
端節(jié)點(diǎn)設(shè)備有三類。所有三個(gè)類均允許雙向通信，并且可以經(jīng)由網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)到服務(wù)器的上行鏈路。它們在接收傳入的服務(wù)器消息時(shí)有所不同。
LoRaWAN A 類設(shè)備的功耗最小。結(jié)束節(jié)點(diǎn)只允許在上行鏈路傳輸之后短期開放的兩個(gè)短接收窗口期間，接收來自服務(wù)器的通信數(shù)據(jù)。在任何其他時(shí)間，來自服務(wù)器的消息都必須等待，直至到達(dá)下一個(gè)計(jì)劃上行鏈路時(shí)間。A 類設(shè)備是異步的。端點(diǎn)只要有數(shù)據(jù)發(fā)送就會(huì)開始傳輸，然后等待預(yù)設(shè)時(shí)間并偵聽響應(yīng)。
LoRa B 類設(shè)備提供 A 類功能，但也可以在預(yù)定時(shí)間打開額外的接收窗口。為了與網(wǎng)絡(luò)同步，B 類節(jié)點(diǎn)每隔 128 秒即會(huì)從網(wǎng)關(guān)接收時(shí)間同步信標(biāo)。在這個(gè) 128 秒內(nèi)，該設(shè)備會(huì)分配一個(gè)時(shí)隙，讓服務(wù)器知道終端設(shè)備何時(shí)正在偵聽。
LoRa C 類設(shè)備提供幾乎連續(xù)開放的接收窗口。窗口僅在端點(diǎn)傳輸期間關(guān)閉。C 類設(shè)備適用于需要接收大量數(shù)據(jù)而不是發(fā)送數(shù)據(jù)的情形。
LoRaWAN 安全
強(qiáng)大的安全性是任何 LPWAN 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。LoRaWAN 使用 AES 128 位加密，并具有兩個(gè)獨(dú)立的安全層、一個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)話密鑰 (NwkSKey) 和一個(gè)應(yīng)用會(huì)話密鑰 (AppSKey)（圖 5）。
圖 5：從 LoRa 終端設(shè)備到應(yīng)用的數(shù)據(jù)流在鏈路的開始和結(jié)束處包括了加密和解密，因此只有端點(diǎn)傳感器和應(yīng)用可以訪問純文本數(shù)據(jù)。（圖片來源：Microchip Technology）
網(wǎng)絡(luò)安全層確保了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的真?zhèn)危瑧?yīng)用安全層確保了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商無權(quán)訪問終端用戶的應(yīng)用數(shù)據(jù)。
部署密鑰有兩種方法：
個(gè)性化激活（ABP）：此時(shí)，LoRaWAN 終端設(shè)備可以使用特定 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)的驗(yàn)證信息進(jìn)行工廠編程。
空中激活（OTAA）：這種方法使用應(yīng)用 ID、唯一設(shè)備 ID 和網(wǎng)絡(luò)指定設(shè)備地址來派生出 NwkSKey 和 AppSKey。首選這種方法，因?yàn)槊荑€不是預(yù)先確定的，且可以重新生成。
啟動(dòng) LoRa 開發(fā)
制造商為設(shè)計(jì)人員提供了一系列 LoRa 選擇，集成程度不一，從單個(gè)設(shè)備到完整的開發(fā)套件。
Semtech Corporation 的 SX1279 單芯片 LoRa 收發(fā)器可以覆蓋歐洲和北美 ISM 頻段（圖 6）。根據(jù)適用的法規(guī)，該設(shè)備提供的頻道帶寬從 7.8 kHz 到 500 kHz，擴(kuò)頻因子從 6 到 12。
圖 6：Semtech SX1279 提供 18 位/秒到 37.5 千位/秒的有效比特率，比 LoRaWAN 允許的范圍更寬。（圖片來源：Semtech Corporation）
在模塊級別，作為 LoRa IP 的被許可方 Microchip，為 868 MHz 的歐洲應(yīng)用提供了 RN2483，并為北美 915 MHz 應(yīng)用提供了 RN2903 LoRa（圖 7）。這兩個(gè)模塊均包含一個(gè)帶有 LoRa 協(xié)議棧的應(yīng)用特定微控制器、一個(gè)符合 LoRa 標(biāo)準(zhǔn)的無線電收發(fā)器、一個(gè)為器件提供唯一 EUI-64 標(biāo)識(shí)符的串行 EEPROM 以及十四個(gè)用于模擬或數(shù)字傳感器輸入、開關(guān)或狀態(tài)指示燈的輸入/輸出（I/O）引腳。
這些模塊旨在作為 A 類設(shè)備使用，并通過一個(gè)集成的 +18.5 分貝-毫瓦（dBm）輸出高能效功率放大器（在 RN2483 中為 +14 dBm）實(shí)現(xiàn)長距離操作，并具有 -146 dBm 的接收靈敏度。
圖 7：典型的 RN2903 端節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)包括輸入和輸出功能?？蛇x的 ICSP 端口可用于更新固件。（圖片來源：Microchip Technology）
在板級，Microchip 提供一款基于 RN2903 LoRa 調(diào)制解調(diào)器的 A 類終端設(shè)備 DM164139 塵埃。塵埃是一個(gè)獨(dú)立的電池供電型節(jié)點(diǎn)，為 RN2903 的遠(yuǎn)距離功能提供了一個(gè)便利的演示平臺(tái)。
塵埃包括光和溫度傳感器。數(shù)據(jù)傳輸可以通過按鈕按下激活，或按固定計(jì)劃發(fā)送。有一個(gè) LCD 用來顯示諸如連接狀態(tài)、傳感器值或下行鏈路數(shù)據(jù)之類信息。
該板通過 USB 2.0 micro-B 連接器連接到計(jì)算機(jī)，訪問 RN2903 的 UART 接口。UART 允許通過高級 ASCII 指令集快速設(shè)置和控制板載 LoRaWAN 協(xié)議棧。
RN2483 調(diào)制解調(diào)器有自己的塵埃板 DM164138。
最后，Microchip 的 DV164140-2 LoRa 網(wǎng)絡(luò)評估套件還包括兩個(gè) RN2903 塵埃板和一個(gè)網(wǎng)關(guān)板（圖 8）。這樣設(shè)計(jì)人員就可以輕松評估全套 915 MHz LoRa 系統(tǒng)的功能。姊妹套件 DV164140-1 覆蓋 868 MHz 應(yīng)用。
圖 8：Microchip 的 DV164140-2（915MHz）和 DV164140-1（868 MHz）LoRa 評估套件包括兩個(gè)塵埃板、網(wǎng)關(guān)核心板和無線電板（從左到右）。（圖片來源：Microchip Technology）
網(wǎng)關(guān)板由一個(gè)核心板和一個(gè)附屬無線電板組成。它包括一塊 LCD 屏幕、一個(gè)用于配置數(shù)據(jù)的 SD 卡、一個(gè)以太網(wǎng)連接、一個(gè)天線和全波段捕獲無線電。
網(wǎng)關(guān)板通過一根同時(shí)提供電源和通信的 USB 電纜連接到主機(jī)PC。另外，核心板和 PC 的局域網(wǎng)（LAN）連接器之間連接有一根以太網(wǎng)電纜，用于在網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間進(jìn)行通信。
塵埃開發(fā)板通過自己的 USB 連接連接到主機(jī)。
網(wǎng)絡(luò)評估套件軟件
評估套件軟件由 Microchip 的 LoRa 開發(fā)套件組成，可從 Digi-Key 的 DV164140-2 產(chǎn)品頁面免費(fèi)下載。該套件適用于 Mac、Windows 或 Linux 機(jī)器，設(shè)置了一個(gè)本地版本的 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，無需外部網(wǎng)絡(luò)連接即可在主機(jī)操作系統(tǒng)下運(yùn)行。該開發(fā)套件構(gòu)建了一個(gè)自足式演示網(wǎng)絡(luò)，可以快速輕松地測試 LoRa 網(wǎng)絡(luò)。
在內(nèi)部，LoRa 開發(fā)套件利用一個(gè)叫 Docker 的開源開發(fā)平臺(tái)運(yùn)行容器化應(yīng)用程序。Docker 允許 Oracle 虛擬機(jī) (VM) 在 Windows、Mac 或 Linux 環(huán)境中運(yùn)行（圖 9）。VM 托管 Docker Engine，反過來運(yùn)行 LoRa 評估服務(wù)器。評估服務(wù)器通過以太網(wǎng)端口與網(wǎng)關(guān)板進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)板則通過 LoRa 鏈路將數(shù)據(jù)中繼到 RN 模塊。
圖 9：LoRa 網(wǎng)絡(luò)評估套件實(shí)現(xiàn)了在主機(jī)操作系統(tǒng)下運(yùn)行的 LoRa 評估服務(wù)器。（圖片來源：Microchip Technology）
LoRa 開發(fā)實(shí)用程序在 Java 運(yùn)行時(shí)環(huán)境（JRE）中運(yùn)行，它們是一組能夠開發(fā) Java 應(yīng)用程序的軟件工具。該實(shí)用程序允許用戶執(zhí)行一系列任務(wù)，例如：掃描網(wǎng)絡(luò)以獲取新終端設(shè)備；授予它們對網(wǎng)絡(luò)的訪問權(quán)；創(chuàng)建一個(gè)新的應(yīng)用服務(wù)器；以及配置網(wǎng)絡(luò)（圖 10）。
圖 10：LoRa 開發(fā)實(shí)用程序可從評估套件產(chǎn)品頁面下載，能夠控制許多 LoRa 評估套件功能，包括網(wǎng)絡(luò)配置。（圖片來源：Microchip Technology）
結(jié)論
LoRa 協(xié)議滿足了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)長距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率通信的重要需求。本文討論了能夠滿足這一需求的 LoRa 物理層和 LoRaWAN 規(guī)范，并重點(diǎn)介紹了一系列器件和工具包，幫助設(shè)計(jì)人員快速評估 LoRa 在一系列目標(biāo)應(yīng)用中的性能。
