如何克服LoRa终端节点设计中的挑战？

Microchip Technology Inc.
无线解决方案产品部
Ramya Kota

LoRa®（远距离）技术可将远距离无线连接与低功耗性能相结合，从而扩展物联网（IoT）的覆盖范围。从智慧城市到智慧农业再到供应链跟踪，LoRa可满足各种需求，非常适合用于构建在城市和郊区环境中均可运行的灵活IoT网络。

但是，要开发一个全新的LoRa解决方案或移植到一个全新的LoRa解决方案，难度究竟如何？

这需要对全新的无线技术有所了解，并能够挑选出适合您应用的解决方案，整个过程可能会让人心力交瘁。无线射频（RF）设计通常需要深入的RF专业知识，而且会占用设计人员大量的开发时间。

本文将介绍LoRa网络架构的四个主要元素，并详细讨论设计人员在开发LoRa终端节点时面临的一些最常见的挑战。我们还会介绍在帮助克服这些挑战并缩短上市时间方面，经过法规认证的LoRa模块有何作用。

LoRaWAN网络架构

LoRa是一种无线调制技术，也是物理层，支持低功耗终端设备进行远距离通信。LoRaWAN是一种无线联网协议，用作介质访问控制（MAC）层，并在LoRa物理层之上实现。LoRaWAN规范详细说明了通信协议和网络架构，旨在确保终端设备之间的安全通信以及网络内的互操作性。

LoRa网络有四个要素，具体如图1所示。

图1.LoRa网络的四个要素（图片来源：LoRa联盟）

1.终端节点是LoRa生态系统的构成要素，用于收集传感器数据以及发送/接收数据。这些要素通常采用远程连接方式，并由电池供电。

2.网关是终端节点与网络服务器之间的透明网桥。通常，终端节点通过LoRaWAN连接到网关，而网关利用Wi-Fi®、以太网或蜂窝等高带宽网络连接到网络。

3.一个网络服务器可以连接到多个网关，能够从多个网关收集数据并过滤掉重复消息，决定哪个网关应该对终端节点消息做出响应，并调整数据速率以延长终端节点的电池寿命。

4.应用服务器从终端节点收集数据并控制终端节点设备的动作。

下面我们来详细了解一下LoRa终端节点的概念，以及进行相关设计时会遇到的挑战。 

设计LoRa终端节点的常见挑战

终端节点是比较简单的对象，例如传感器和执行器。通常，这些对象就是物联网（IoT）中的“物”。在LoRaWAN生态系统中，终端节点通过一个或多个网关与网络服务器通信。

大多数情况下，LoRa终端节点都是低成本的电池供电类应用，需要具有高成本效益和高能效。有多种方案可用于构建LoRa终端节点，具体取决于开发时间、目标成本、功耗和具备的RF专业知识。在研究可用于构建LoRa终端节点的方案之前，我们先来看看设计人员在设计终端节点时面临的一些最常见的挑战，这有助于我们挑选合适的产品。

在设计这种终端节点架构时，以下领域的挑战最为常见：

1.RF设计

与所有其他无线设计一样，设计LoRa终端节点也需要具备大量的RF设计专业知识。在使用LoRa SoC/SiP时，终端节点设备开发人员负责整个RF设计，包括原理图、BOM、PCB布局、天线调谐和其他射频硬件。即使备有可靠实用的文档和应用设计指南，RF设计也并不总是那么容易。设计过程不仅需要深入的RF专业知识，而且还会占用设计人员大量的开发时间。调试RF设计通常还需要特殊设备，这进一步增加了开发成本。为了克服RF设计挑战，一些供应商会提供附带各种支持的SoC/SiP，其中包括非常实用的文档、经过法规认证的参考设计和内容详尽的芯片级设计包。然而，要想尽可能缩短开发时间并降低风险，已针对射频进行优化、测试和认证的LoRa模块总是最佳选择。这类模块可以用作单个组件以提供完整的解决方案，从而降低设计风险并缩短开发时间。

2.合规性与认证

LoRa/Sub-GHz无线电通常在免许可的ISM频段运行，并且频率会因地区而异，这对硬件和软件设计人员来说是一项挑战。设计人员必须小心谨慎，以确保设计出完全合规的解决方案，同时尽可能降低BOM成本。此外，RF法规要求不断变化，跟上法规变化、重新测试设备和重新认证合规性可能需要终端节点开发公司投入数千美元和大量的工程时间，而这些资金和时间本可以用于新项目。使用经过认证的LoRa模块可以轻松解决这个问题，因为模块制造商会负责满足最新法规要求，并重新认证模块以符合最新规范。若选择经过法规认证的LoRa模块，则可以完全避免花费在确保合规性上的所有成本和时间。

3.多地区工作

LoRa设备支持不同地区的多种工作频率。终端节点制造商通常会先在一个主要地区发布其终端产品。一旦需求增加，公司就会考虑扩展相同设计的应用范围，以覆盖其他地区。若拥有一个支持多个地区的SKU，则可以将最终产品无缝移植和扩展到不同的国家和地区。经过法规认证的LoRa模块适用于多个频段，是此类产品扩展的理想选择。

4.可靠的软件

通常，LoRa模块将整个LoRaWAN协议栈集成在模块内部，终端节点开发人员只需实现模块的初始化和通信即可。  对于LoRa SoC/SiP和独立的LoRa模块，协议栈必须由制造商提供，如果没有提供，则开发人员必须自行开发协议栈。为了最大限度地减少软件开发工作，建议选择制造商的LoRaWAN协议栈支持的LoRa模块/IC。制造商提供的经过验证的LoRaWAN协议栈可确保终端节点与主要LoRaWAN网络和网关之间的互操作性，使终端节点能够在不同的网络上工作，同时降低风险。

5.从模块到SoC的移植方案

许多公司基于经过认证的模块着手进行原型设计和初始生产运行，以期降低风险并加快其产品的上市步伐。在其产品开始生产爬坡后，公司可能会决定转为使用LoRa SoC/IC，以提高灵活性或降低BOM成本。移植并非总是简单易行，因此务必考虑选用允许在模块与IC之间进行简单软件移植的独立模块。此外，必须选择同时销售模块和SoC的供应商，以便开发平台、软件移植和支持结构可以保持不变。 

经过法规认证的LoRa模块有助于克服挑战并简化LoRa终端节点设计

LoRa模块包含所有必需的无线电元件以及LoRaWAN协议栈和RF电路，因此是加快LoRaWAN终端设备开发速度的理想选择。RF开发和认证由模块制造商执行，因此认证规范的任何变更或组件更换都完全由制造商处理，从而为终端设备制造商节省了大量的开发时间和重新认证成本。

独立LoRa模块具有高度集成的LoRa IC，可提供足够的内存来运行应用程序代码以及LoRaWAN协议栈。这样一来，便无需使用外部单片机，可以节省电路板空间和系统成本。下面的图2和图3给出了这种独立模块的简单示例。WLR089U0模块基于Microchip的SAM R34/35系列IC，是一款紧凑型模块，具有256 KB闪存和40 KB RAM，非常适合空间受限的应用。此外，该模块还集成有RF开关，可实现多频段工作，并允许在多个地区使用同一模块，从而更加轻松地扩大终端产品的市场。WLR089U0还受Microchip久经考验的LoRaWAN协议栈和专有的点对点软件支持，正在开发LoRa应用的最终用户可借此简化软件开发过程。这类模块基于SAM R34/35 IC，因此在模块与IC之间的移植也更加简单。选择这类模块有助于在开发LoRa终端节点时克服所​​有常见的设计挑战，从而简化整个设计过程。

图2.WLR089U0 LoRa模块框图


图3.WLR089U0 LoRa模块

结论

开发LoRa终端节点既复杂又耗时。高度集成且经过认证的LoRa模块提供了一种简单、成熟的方法来克服设计这些终端节点所涉及的复杂挑战。可靠的软件、更大的内存、集成的RF开关和法规认证是LoRa模块的一些关键特性。选择经过严格认证的LoRa模块不仅有助于简化设计过程，还能让终端节点开发人员成功使其产品脱颖而出并更快地将其推向市场。