选择正确的低功耗无线协议

作者：贸泽电子 Mark Patrick

物联网（IoT）应用范围的不断扩大，以及相关技术的不断发展，正在铸造一个真正互联的世界。目前，交通运输（包括陆、海、空）和电信网络（包括无线或有线）为我们提供了多种选择，由此我们可以根据具体需求与地球上任何位置的其他人联络，例如线上与客户面对面交谈，与处在其他国家/地区的同事使用座机或VoIP平台讨论，或为在不同时区的参与者举办一个视频会议。同样，还将需要一系列网络技术，根据各自功能标准将数百万个IoT设备连接到一起。

尽管物联网设备的用途可能千差万别，但总的来说，它们的连接需求可以归结为四个关键要素：

1. 它们必须采用无线连接（至少在大多数情况下）。

2. 它们应该具有相对较长的作用距离（城市地区需要达5公里，农村地区需要10公里至40公里）。

3. 它们应具有低功耗（电池使用寿命需要5年以上，甚至长达10年）。

4. 最后，这些设备需要以低成本部署和维护。

IoT Analytics预测，全球活跃的IoT连接将从2018年的70亿个增长到2023年的158亿个，而其中具备上述特性的低功耗广域网（LPWAN）将占连接设备中的11.5亿。同时，IDTechEx Research预测，到2029年，将有27亿个LPWAN IoT连接投入运营。

本文将重点介绍LPWAN技术，它能够弥补短距离无线连接（如蓝牙、Wi-Fi和Zigbee）与高能耗蜂窝网络（如2G、3G和4G）之间传输数据的间隙。这些技术中比较流行的包括Sigfox、LoRa和Weightless。本文还将涉及窄带物联网（NB-IoT）技术，尽管它基于LTE协议并且能够在GSM和LTE网络上运行，但仍支持低功耗的双向数据传输。

这项专有技术由一家法国名为Sigfox的公司于2009年开发，它工作在未经许可的工业、科学和医学（ISM）无线电频段，欧洲此频段为868MHz，北美为915MHz，亚洲为433MHz，带宽为100Hz。Sigfox实际上已被定制为一种轻量级协议，以处理有限大小的消息。它使用二进制相移键控（BPSK）调制来传输少量数据（100bps或600bps，具体取决于区域），并采用双向传输机制，但是每天都有上传140条12字节消息和下载4条8字节消息的限制。到2014年，Sigfox已在法国全国范围内部署，该公司目前声称已覆盖全球60个国家/地区。支持Sigfox技术的Microchip Technology的868MHz ATA8520单芯片RF收发器是一种灵活的解决方案，可以与任何主机微控制器（MCU）结合使用。这些单芯片方案将RF前端和控制器技术集成于单个芯片，能够实现低功耗运行，在14.5dBm输出功率下消耗电流32.7mA，在关断模式下电流仅为5nA。

图1：ATA8520的主要功能模块概述。

这种技术同样也是在法国开发，并于2009年获得Cycleo SAS的专利（随后在2012年被Semtech收购）。它运行在公共的ISM频段，使用与Sigfox相同的频率，但带宽为125kHz和250kHz，并且通过啁啾扩频（CSS）调制的数据传输速率高达50kbps（单向支持243字节消息），还支持端到端AES-128加密。在2015年，LoRa联盟将LoRaWAN设立为标准的LoRa协议，迄今为止，它已在100个国家/地区部署。

图2：Semtech SX1301数字基带。

Semtech是能够提供LoRa网络IC的唯一供应商，该公司的SX1301数字基带芯片专为智能计量、安全传感器和农业监控等应用而开发，可用来创建室外LoRaWAN宏网关（macro gateway）。它具有集成的LoRa集中器IP，该IP是一个多通道高性能收发器，旨在采用随机信道上的随机扩展因子同时接收多个LoRa数据包。该器件能够使中央无线数据集中器与分布在很宽距离范围内的多个无线端点之间实现良好连接。它还提供同步双频操作、动态数据速率（DDR）自适应和10条可编程并行解调路径等功能。

Murata是LoRa联盟的重要成员，该公司已经发布了紧凑的低功耗ABZ LoRa 无线模块，这些模块专门用于智能计量、可穿戴设备和资产追踪。这些体积为12.5mm x 11.6mm x 1.76mm的器件采用金属屏蔽封装，每颗芯片都包含一个Semtech SX1276超远程扩频无线收发器和一个意法半导体的STM32L0系列ARM Cortex M0+ 32位MCU（具有192kB闪存和20kB的RAM）。

要构建LoRa网络，需要考虑三个问题：一个网关，至少一个节点以及一个用于监控所有连接设备的本地服务器。Seeed Studio的LoRa/LoRaWAN 868MHz和915MHz网关是用于创建LPWAN的远程无线解决方案，这些套件提供了所有的基本构建块，其中包括一个Raspberry Pi 3，带有GPS的Seeeduino LoRaWAN，一个10通道网关和本地服务器，用于在所有LoRa节点之间收集和传输数据。通过将网关与Seeeduino LoRaWAN和Grove模块相连，工程师可以在几分钟内构建原型。

Weightless开放标准由位于剑桥的非营利组织“Weightless Special Interest Group (Weightless特别兴趣小组)”开发，在低于1GHz的未许可频谱中运行，并具有三种不同的版本：Weightless-W、Weightless-N 和Weightless-P。Weightless-W利用许可的电视频段中“空白”或未使用的本地频谱，Weightless-N使用基于NWave单向技术的未经许可超窄带协议，Weightless-P在未许可的1GHz以下ISM/SRD频段全部范围内运行，在12.5kHz窄带中使用FDMA + TDMA调制，并具有自适应数据速率（从200bps到100kbps）。Weightless支持终端和网络的AES-128/256加密和验证。

这项技术在2016年由第三代合作伙伴计划（3GPP）进行了标准化（版本13），并且可在许可的GSM和LTE蜂窝网络上运行，同时具有最低的功耗。它的带宽为180kHz，数据速率为50kbps（上传/下载），并带有1.6kB消息。 NB-IoT的部署仍处在爬坡阶段，T-Mobile于2018年7月推出了美国首个全国性NB-IoT网络服务，而AT＆T计划于今年晚些时候在北美推出其NB-IoT网络。沃达丰（Vodafone）的欧洲NB-IoT网络现在包括10个不同的国家（荷兰、英国、捷克共和国、爱尔兰、德国、希腊、意大利、西班牙、匈牙利和罗马尼亚），土耳其也正处在部属过程中。

要选择合适的LPWAN技术，需要考虑多个因素：网络范围/覆盖范围、能效、延迟和服务质量（QoS）以及可扩展性和成本等。农场/农业应用需要较长的电池使用寿命和最少的数据传输，但是鉴于这些场合通常不在当前LTE覆盖范围之内，因此Sigfox和LoRa可能是更合适的选择。工厂中机器设备的实时监控需要具有多种通信要求的各种传感器，在没有Wi-Fi或以太网覆盖的应用场合，NB-IoT将能够满足对频繁通信和高QoS的需求。

资产追踪或状态监控需要具备较长电池使用寿命的低成本传感器，这使得LoRa和Sigfox成为最佳候选对象。但是，对于正处在运输过程中的资产（如追踪物流行业中的卡车、油轮或货物托盘），LoRa或许是更可靠的选择。同样，在不需要高QoS或频繁通信的智能建筑中进行环境条件监控时，LoRa和Sigfox可能是最佳选择（取决于覆盖范围和室内渗透率）。

考虑到各种动态因素，许多物联网应用需要设计人员开发混合LPWAN解决方案。意法半导体的STEVAL-FKI001V1是一款开发和原型制作工具，可实现基于Sigfox、蓝牙低功耗（BLE）和1GHz以下技术的系统设计。该开发套件具有完全可编程的Jorjin Technologies WS2118模块，其中嵌入有用于BLE功能的BlueNRG-1片上系统（SoC）和用于1GHz以下功能的S2-LP收发器。它具有非常低的RF和MCU工作电流，再加上低功耗模式进一步控制电流消耗，可延长电池寿命，从而允许使用纽扣电池工作或通过能量收集技术运行。该套件与Arduino屏蔽板兼容，该屏蔽板包含MEMS运动传感器、环境传感器和时间飞行（ToF）测距传感器。

工程师还可以使用意法半导体公司的B-L072Z-LRWAN1 STM32 LoRaWAN 开发板来构建基于LoRa和/或FSK/OOK技术的IoT硬件。它结合了Murata的多合一开放模块解决方案，以支持LoRaWAN，并带有经过认证的I-CUBE-LRWAN嵌入式软件，用于设定完整的LoRaWAN节点。该软件已通过LoRaWAN A类认证，并兼容C类。开发板具有用于传感器扩展卡的Arduino连接器，一个集成的ST-Link V3调试器，一个USB 2.0 FS设备端口，一个电池组插槽，一个SMA连接器以及50Ω的天线。