設計人員可以使用各種各樣的無線技術將產品連線到物聯網 (IoT)。每種技術適用於不同的應用，需要設計人員仔細考慮作用距離和資料速率、成本、功耗、體積和外形等因素。

　　本文將介紹 LoRa 協議，比較其相對其他協議的優勢，並介紹幾種產品和開發工具包，讓工程師們快速開發出基於 LoRa 的系統。

　　無線物聯網折衷考量

　　每種無線技術都有其強弱點。例如，標準 Wi-Fi 可以高速傳輸大量資料，但作用距離有限。蜂窩網路結合了高速和遠距離優勢，但功率不足。

　　像遠端資料採集、城市照明控制、天氣監測和農業這樣的物聯網應用擁有不同的優先順序組合。在這些應用中，像天氣條件、土壤含水量或路燈開關之類數量測量或控制，在較長的時間內變化都很慢。

　　此外，感測器節點往往會相距幾英里，並且由電池供電，因此最佳的無線協議必須能夠以最小功耗長距離傳送小資料包。LoRa 協議正是因應此類要求而設計的。

　　LoRa 技術概覽

　　LoRa 針對的是低功率、廣域網(LPWAN)應用。其作用距離超過 15 公里，連線節點可達 100 萬個。低功耗與長距離極限的組合可將最大資料速率提升至每秒 50千位元(Kbps)。

　　LoRa 是 Semtech Corporation 擁有的專有專利技術，執行在 ISM 頻段。根據地區的不同，ISM 的頻率分配和監管要求不盡相同(圖 1)。兩個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，特別是亞洲地區也有不同的要求。

　　圖 1：兩個廣泛使用 ISM 頻段的地區歐洲和美國的 LoRa 規範比較。

　　LoRa 物理層使用擴頻調製 (SSM)(圖2)。SSM 以較高的頻率序列對基本訊號進行編碼，特意在較寬頻寬上擴散基本訊號，降低了功耗，並增加了電磁抗干擾能力。

　　圖 2：擴頻系統將輸入資料乘以更快的擴充套件訊號頻寬的程式碼序列。

　　基本訊號的擴頻因子 (SF) 是可變的，代表的是一種折衷。 對於既定的可用頻寬，較大的擴頻因子降低了位元率，但也因為增加傳輸時間而減少了電池壽命。

　　指定擴頻因子 (SF) 和頻寬 (BW) 將按以下公式確定位元率：

　　LoRa 允許有六個擴頻因子(SF7 - SF12)和三個不同的頻寬(125 kHz，250 kHz，500 kHz)。允許的擴頻因子和頻寬由地區管制機構確定。例如，北美規定頻寬為 500 kHz，擴頻因子為 7 到 10。

　　由於採用擴頻技術，不同資料速率的訊息是正交的，並且通過建立一組“虛擬”頻道，增加了閘道器容量，因而彼此相互不干擾。

　　LoRa 方案基於稱為線性調頻擴頻 (CSS) 調製的 SSM 變體(圖 3)。CSS 使用“線性調頻”對資料進行編碼，基本上是一種隨時間增減的寬頻調頻正弦訊號。

　　圖 3：CSS“上掃頻”既可以跟隨頻率相對時間的多項式表示式，也可以展現如這裡所示的線性關係。

　　CSS 非常適合需要低功率消耗的低資料速率(<1 Mb/s)應用。IEEE 802.15.4a 是另一個低速率標準，將 CSS 指定為在無線個人區域網 (LR-WPAN) 中所用的技術。CSS 已經使用了許多年，在軍事和空間應用中提供穩健的長距離通訊，但是 LoRa 是第一個低成本的商業實現。

　　LoRaWAN 和 LoRa 網路架構

　　LoRaWAN 規範定義了 LPWAN 的媒體訪問控制 (MAC) 層。LoRaWAN 在 LoRa 物理層之上實現，並指定了通訊協議和網路架構。這些功能對多個性能引數有很大的影響，其中包括：

　　節點的電池壽命

　　網路容量

　　網路安全

　　所服務的應用

　　LoRaWAN 網路架構使用星形拓撲結構，其中每個端節點通過網路伺服器與多個閘道器進行通訊。

　　LoRa 網路有四個要素(圖 4)：

　　端節點收集感測器資料，將其傳輸至上游，並從應用伺服器接收下游通訊資料。端點裝置使用單跳無線通訊方式與一個或多個閘道器進行通訊。

　　集中器/閘道器充當透明網橋，並在端節點和上游伺服器之間中繼轉發雙向資料。

　　網路伺服器通過有線或無線式安全 TCP/IP 連線與多個閘道器連線;消除了重複訊息;決定哪個閘道器應該響應端節點訊息;並使用自適應資料速率 (ADR) 方案管理端節點資料速率，以最大限度地提高網路容量並延長端節點的電池壽命。

　　應用伺服器會收集和分析端節點的資料，並確定端節點的動作。

　　圖 4：LoRa 網路有四個主要塊和兩個安全層。

　　端點通訊通常是雙向的，但是 LoRa 還支援像軟體升級這樣的多播操作。許多競爭協議，如 ZigBee，採用網狀拓撲，其中各個端節點從其他端節點接收和重發資訊。這種方法增加了網路的範圍和蜂窩的大小，但是增加通訊開銷也增加了複雜性，降低了網路容量，並增加了各個節點的功耗。

　　LoRa 端節點分類

　　端節點裝置有三類。所有三個類均允許雙向通訊，並且可以經由閘道器啟動到伺服器的上行鏈路。它們在接收傳入的伺服器訊息時有所不同。

　　LoRaWAN A 類裝置的功耗最小。結束節點只允許在上行鏈路傳輸之後短期開放的兩個短接收視窗期間，接收來自伺服器的通訊資料。在任何其他時間，來自伺服器的訊息都必須等待，直至到達下一個計劃上行鏈路時間。A 類裝置是非同步的。端點只要有資料傳送就會開始傳輸，然後等待預設時間並偵聽響應。

　　LoRa B 類裝置提供 A 類功能，但也可以在預定時間開啟額外的接收視窗。為了與網路同步，B 類節點每隔 128 秒即會從閘道器接收時間同步信標。在這個 128 秒內，該裝置會分配一個時隙，讓伺服器知道終端裝置何時正在偵聽。

　　LoRa C 類裝置提供幾乎連續開放的接收視窗。視窗僅在端點傳輸期間關閉。C 類裝置適用於需要接收大量資料而不是傳送資料的情形。

　　LoRaWAN 安全

　　強大的安全性是任何 LPWAN 設計的關鍵要素。LoRaWAN 使用 AES 128 位加密，並具有兩個獨立的安全層、一個網路會話金鑰 (NwkSKey) 和一個應用會話金鑰 (AppSKey)(圖 5)。

　　圖 5：從 LoRa 終端裝置到應用的資料流在鏈路的開始和結束處包括了加密和解密，因此只有端點感測器和應用可以訪問純文字資料。

　　網路安全層確保了網路中節點的真偽，應用安全層確保了網路運營商無權訪問終端使用者的應用資料。

　　部署金鑰有兩種方法：

　　個性化啟用(ABP)：此時，LoRaWAN 終端裝置可以使用特定 LoRaWAN 網路的驗證資訊進行工廠程式設計。

　　空中啟用(OTAA)：這種方法使用應用 ID、唯一裝置 ID 和網路指定裝置地址來派生出 NwkSKey 和 AppSKey。首選這種方法，因為金鑰不是預先確定的，且可以重新生成。

　　啟動 LoRa 開發

　　製造商為設計人員提供了一系列 LoRa 選擇，整合程度不一，從單個裝置到完整的開發套件。

　　Semtech Corporation 的 SX1279 單晶片 LoRa 收發器可以覆蓋歐洲和北美 ISM 頻段(圖 6)。根據適用的法規，該裝置提供的頻道頻寬從 7.8 kHz 到 500 kHz，擴頻因子從 6 到 12。

　　圖 6：Semtech SX1279 提供 18 位/秒到 37.5 千位/秒的有效位元率，比 LoRaWAN 允許的範圍更寬。

　　在模組級別，作為 LoRa IP 的被許可方 Microchip，為 868 MHz 的歐洲應用提供了 RN2483，併為北美 915 MHz 應用提供了 RN2903 LoRa(圖 7)。這兩個模組均包含一個帶有 LoRa 協議棧的應用特定微控制器、一個符合 LoRa 標準的無線電收發器、一個為器件提供唯一 EUI-64 識別符號的序列 EEPROM 以及十四個用於模擬或數字感測器輸入、開關或狀態指示燈的輸入/輸出(I/O)引腳。

　　這些模組旨在作為 A 類裝置使用，並通過一個整合的 +18.5 分貝-毫瓦(dBm)輸出高能效功率放大器(在 RN2483 中為 +14 dBm)實現長距離操作，並具有 -146 dBm 的接收靈敏度。

　　圖 7：典型的 RN2903 端節點可以同時包括輸入和輸出功能。可選的 ICSP 埠可用於更新韌體。

　　在板級，Microchip 提供一款基於 RN2903 LoRa 調變解調器的 A 類終端裝置 DM164139 塵埃。塵埃是一個獨立的電池供電型節點，為 RN2903 的遠距離功能提供了一個便利的演示平臺。

　　塵埃包括光和溫度感測器。資料傳輸可以通過按鈕按下啟用，或按固定計劃傳送。有一個 LCD 用來顯示諸如連線狀態、感測器值或下行鏈路資料之類資訊。

　　該板通過 USB 2.0 micro-B 聯結器連線到計算機，訪問 RN2903 的 UART 介面。UART 允許通過高階 ASCII 指令集快速設定和控制板載 LoRaWAN 協議棧。

　　RN2483 調變解調器有自己的塵埃板 DM164138。

　　最後，Microchip 的 DV164140-2 LoRa 網路評估套件還包括兩個 RN2903 塵埃板和一個閘道器板(圖 8)。這樣設計人員就可以輕鬆評估全套 915 MHz LoRa 系統的功能。姊妹套件 DV164140-1 覆蓋 868 MHz 應用。

　　圖 8：Microchip 的 DV164140-2(915MHz)和 DV164140-1(868 MHz)LoRa 評估套件包括兩個塵埃板、閘道器核心板和無線電板(從左到右)。

　　閘道器板由一個核心板和一個附屬無線電板組成。它包括一塊 LCD 螢幕、一個用於配置資料的 SD 卡、一個乙太網連線、一個天線和全波段捕獲無線電。

　　閘道器板通過一根同時提供電源和通訊的 USB 電纜連線到主機PC。另外，核心板和 PC 的區域網(LAN)聯結器之間連線有一根乙太網電纜，用於在閘道器和伺服器之間進行通訊。

　　塵埃開發板通過自己的 USB 連線連線到主機。

　　網路評估套件軟體

　　評估套件軟體由 Microchip 的 LoRa 開發套件組成，該套件適用於 Mac、Windows 或 Linux 機器，設定了一個本地版本的 LoRaWAN 網路伺服器，無需外部網路連線即可在主機作業系統下執行。該開發套件構建了一個自足式演示網路，可以快速輕鬆地測試 LoRa 網路。

　　在內部，LoRa 開發套件利用一個叫 Docker 的開源開發平臺執行容器化應用程式。Docker 允許 Oracle 虛擬機器 (VM) 在 Windows、Mac 或 Linux 環境中執行(圖 9)。VM 託管 Docker Engine，反過來執行 LoRa 評估伺服器。評估伺服器通過乙太網埠與閘道器板進行通訊，閘道器板則通過 LoRa 鏈路將資料中繼到 RN 模組。

　　圖 9：LoRa 網路評估套件實現了在主機作業系統下執行的 LoRa 評估伺服器。

　　LoRa 開發實用程式在 Java 執行時環境(JRE)中執行，它們是一組能夠開發 Java 應用程式的軟體工具。該實用程式允許使用者執行一系列任務，例如：掃描網路以獲取新終端裝置;授予它們對網路的訪問權;建立一個新的應用伺服器;以及配置網路(圖 10)。

　　圖 10：LoRa 開發實用程式可從評估套件產品頁面下載，能夠控制許多 LoRa 評估套件功能，包括網路配置。

　　結論

　　LoRa 協議滿足了物聯網實現長距離、低功耗、低資料速率通訊的重要需求。本文討論了能夠滿足這一需求的 LoRa 物理層和 LoRaWAN 規範，並重點介紹了一系列器件和工具包，幫助設計人員快速評估 LoRa 在一系列目標應用中的效能。