發布日期：2022-05-25 點擊率：57
離和數據傳輸速率，成本，功耗，體積和外形。
本文將介紹的LoRa協議，其優勢比其他協議，并討論多項產品和開發工具包，使工程師可以快速上手開發基于LoRa系統。
每個無線技術既有長處和短處。標準的Wi-Fi，例如，可以傳輸大量高速數據的，但它有一個有限的范圍內。蜂窩網絡結合高速和長距離，但它的耗電。
的IoT應用，例如遠程數據采集，城市照明控制，氣象監測，和農業，分別具有不同的組優先級。被測量或在這些應用中，如天氣條件，土壤水分含量，或街燈控制的數量時，所有的變化非常緩慢地在延長的時間周期。
此外，該傳感器節點往往英里開并且是電池供電的，所以最佳的無線協議必須能夠小數據分組在長距離上以最小的功耗有效地發送。該LORA協議被設計為恰好這些要求。
LORA是針對低功耗，廣域網（LPWAN）應用程序。它擁有射程超過15公里，并達到1萬個節點的容量。低功耗和長范圍的組合限制了最大數據速率為每秒50千比特（Kbps）的。
勞拉是擁有和申請了專利專有技術Semtech公司公司，在ISM波段操作。頻率分配和用于ISM監管要求因地區而異（圖1）。兩種最流行的頻率是用于北美，歐洲使用的868兆赫（MHz）和915兆赫。其他地區，尤其是亞洲，有不同的要求。
| 歐洲北美頻帶867-869兆赫902-328兆赫通道1064 + 8 + 8通道BW最多125/250千赫五百分之一百二十五千赫通道BW DN125千赫500千赫TX通電+14 dBm的+20 dBm的典型值 （30 dBm的允許）TX功率DN+14 dBm的+27 dBm的SF向上7-127-10數據速率250個BPS – 50 kbps的980個基點 – 21.9 kbps的鏈路預算最多155分貝154分貝鏈路預算DN155分貝157分貝 |
圖1：LoRa規格為歐洲和美國，這兩個地區，其中ISM頻段被廣泛使用的比較。（圖像源：LoRa聯盟）
所述LoRa物理層使用擴頻調制（SSM）（圖2）。SSM編碼具有更高的頻率序列，其故意散布在更寬的帶寬的基帶信號，降低了功耗，并且增加了抗電磁干擾的基本信號。
圖2：一個擴頻系統通過擴展信號帶寬快得多的碼序列相乘的輸入數據。（圖像源：升特公司）
基本信號的擴頻因子（SF）是可變的并且代表一種折衷。對于給定的可用帶寬，較大的擴展因數減小了比特率，而且還通過增加發送時間縮短電池的使用壽命。
A中規定的擴頻因子（SF）和帶寬（BW）會給由下式定義的比特率：
洛拉允許六個擴頻因子（SF7 – SF12）和三個不同的帶寬（125千赫茲，250千赫茲，500千赫）。允許的擴頻因子和帶寬由區域性監管機構定義。北美，例如，指定了一個500 kHz帶寬和7至10中的擴頻因子。
由于擴頻技術，具有不同的數據傳輸速率的消息是正交的，并通過創建一套“虛擬”通道不相互干擾，提高了網關的容量。
的洛拉方案是基于SSM的變體稱為啁啾擴頻（CSS）調制（圖3）。CSS具有“啁啾”，其本質上是增加或隨時間降低寬帶頻率調制的正弦信號進行編碼的數據。
圖3：一個CSS“upchirp”可以遵循頻率的多項式表達與時間，或顯示出如下所示的線性關系。（圖像來源：Wikipedia）
CSS是非常適合于低數據速率要求低的功率使用。
所述LoRaWAN規范定義了LPWAN的媒體訪問控制（MAC）層。LoRaWAN是在LORA物理層的基礎上實現，并且指定的通信協議和網絡架構。這些功能具有高度的影響力在幾個性能參數，包括：
一個節點的電池壽命
網絡容量
網絡安全
所服務的應用程序
所述LoRaWAN網絡架構使用星的星的拓撲，其中每個端節點與多個網關與網絡服務器通信進行通信。
所述洛拉網絡具有四個元件（圖4）：
端節點收集的傳感器數據，發送它的上游，并且從應用服務器接收下行通信。端點設備使用單跳無線通信到一個或多個網關。
集中器/網關充當透明網橋和端節點和上游服務器之間中繼雙向數據。
網絡服務器經由安全的TCP / IP連接，無論是有線或無線連接到多個網關; 消除了重復的消息; 決定哪個網關應結束節點消息作出反應; 并管理具有自適應數據速率（ADR）方案來最大化網絡能力和延伸端節點的電池壽命端節點的數據速率。
應用服務器收集并從端節點分析數據并確定端節點行動。
圖4：LoRa網絡具有四個主塊和兩個安全層。（圖像源：LoRa聯盟）
端點通信通常是雙向的，但LORA還支持功能，諸如軟件升級組播操作。許多競爭協議，諸如ZigBee，采用其中每個末端節點接收一個網狀拓撲并且重傳從另一端節點的信息。這種方法增加了網絡的覆蓋范圍和小區大小，但增加的通信開銷增加了復雜性，降低了網絡容量，和增加了各個節點的功率消耗。
有三類終端節點設備。這三類允許雙向通信，并可以通過網關發起上行到服務器。他們，當他們接受傳入服務器消息不同。
甲LoRaWAN A類設備消耗最少的功率。一個端節點僅允許在兩個短接收可打開的用于上行鏈路傳輸狀態在短時間內窗口從所述服務器通信。從在其他任何時間服務器的消息必須等到下一個預定上行時間。A級設備是異步的。端點開始每當它有數據要發送的傳輸，然后等待預先設定的時間，并監聽響應。
一LORA B類設備提供了一個類的功能，同時也開啟在預定的時間額外的接收窗口。與網絡同步，B級節點接收到來自每128秒網關同步信標時間。它被分配128秒讓當端設備監聽的服務器知道內的時隙。
甲洛拉C類設備提供幾乎連續的開放接收窗口。窗戶在端點發送只被關閉。在需要接收的，而不是傳送的大量數據的C類設備是合適的。
強大的安全性是任何LPWAN設計的一個關鍵要素。LoRaWAN使用AES 128位加密和有安全的兩個獨立的層，網絡會話密鑰（NwkSKey）和一個應用程序會話密鑰（AppSKey）（圖5）。
圖5：將數據從LORA端設備到應用的流包括在開始和鏈端的加密和解密，因此，只有在端節點傳感器和應用程序可以訪問明文數據。（圖像源：微晶片科技）
網絡安全層確保網絡中的節點的真實性，并且應用安全層確保了網絡運營商不具有訪問最終用戶的應用程序數據。
有兩種方法來部署的關鍵：
由個人應用（ABP）的激活：在這里，LoRaWAN端設備可以是工廠對特定LoRaWAN網絡認證信息編程。
過度的空氣激活（OTAA）：它使用一個應用程序ID，一個唯一的設備ID，和以導出NwkSKey和AppSKey網絡分配的設備地址。此方法是優選，因為密鑰不預先確定，并且可以再生。
制造商為設計人員提供了一系列與從單個設備到完整的開發套件的集成度LORA選項。
升特公司的SX1279單芯片收發器洛拉可以涵蓋歐洲和北美ISM頻段（圖6）。根據不同的適用的法規，該裝置提供信道帶寬從7.8 kHz至500千赫和擴頻范圍從6到12的因素。
圖6：升特SX1279提供了有效的位速率從18個比特/秒到37.5千比特/秒，更廣泛的比LoRaWAN允許。（圖像源：升特公司）
在模塊級，Microchip的，LORA IP的許可，提供RN2483為868 MHz的歐洲應用和RN2903 LORA北美915 MHz的應用程序（圖7）。兩個模塊包含具有LORA協議棧，兼容LORA無線電收發器，其提供所述設備與唯一的EUI-64的標識符的串行EEPROM，和14的輸入/輸出應用專用微控制器（I / O）引腳作為模擬或數字傳感器輸入，開關，或狀態指示器。
這些模塊被設計為A級的使用和實現具有集成18.5分貝毫瓦（dBm的）輸出高效率的功率放大器（14 dBm的在RN2483），加上-146 dBm的接收器靈敏度的遠程操作。
圖7：一種典型的RN2903末端節點可包括輸入和輸出的功能。可選的ICSP端口可以用來更新固件。（圖像源：微晶片科技）
在板級，Microchip提供DM164139莫特，一類基于所述RN2903 LORA調制解調器甲端設備。微塵是提供用于RN2903的遠程功能的方便演示平臺獨立的電池供電的節點。
微塵包括光傳感器和溫度傳感器。該數據傳輸可以通過按下按鈕來啟動，或在一個固定的時間表傳送。的LCD顯示信息，諸如連接狀態，傳感器值，或下行鏈路數據。
該板通過USB 2.0微-B連接器，提供訪問RN2903的UART接口連接到一臺計算機。所述UART允許通過高電平ASCII命令集快速設置和車載LoRaWAN協議棧的控制。
該RN2483調制解調器擁有自己的莫特板，DM164138。
最后，DV164140-2 LORA網絡評估套件，還從Microchip的，包括兩個RN2903莫特板和一個網關板（圖8）。這很容易讓設計人員能夠評估一個完整的915 MHz的LORA系統的能力。甲姐姐試劑盒，所述DV164140-1，占地面積868級兆赫的應用程序。
圖8：Microchip的DV164140-2（915MHz的）和DV164140-1（868兆赫）洛拉評估套件包括兩個莫特板，網關芯板，和無線電板（左到右）。（圖像源：微晶片科技）
網關板由一個核心板和一個附加的無線電板。它包括一個液晶屏，配置數據，以太網連接，天線，以及全頻段捕獲的無線電的SD卡。
通過提供電力和通信的USB線纜網關板接口連接到PC主機。此外，以太網電纜被連接在核心板和用于在網關和服務器之間的通信的計算機的局域網（LAN）連接器之間。
微塵開發板通過其自己的USB接口連接到主機。
該評估套件軟件包括Microchip的LORA開發套件，它可以不受Digi-Key的DV164140-2下載的產品頁面。適用于Mac，Windows或Linux機器，該套件建立在主機操作系統下運行而無需外部網絡連接的LoRaWAN網絡服務器的本地版本。該開發套件創建一個自包含的示范網，使測試LORA網絡方便快捷。
在內部，LORA開發套件利用碼頭工人，一個開源開發平臺上運行的應用程序集裝箱的。泊塢窗允許Oracle虛擬機（VM）在Windows，Mac或Linux環境（圖9）進行操作。VM主機，在隨后運行LORA評估服務器的泊塢引擎。評估服務器通過以太網端口，數據中繼到通過LORA鏈接RN模塊網關板通信。
圖9：LoRa網絡評估板實現該主機計算機的操作系統下運行的評價LoRa服務器。（圖像源：微晶片科技）
該LORA開發工具Java運行時環境（JRE），一套軟件工具，允許開發Java應用程序中運行。此程序可允許用戶執行一系列任務，如：掃描網絡以新終端設備; 授予他們訪問網絡; 創建一個新的應用服務器; 并配置網絡（圖10）。
圖10：LORA開發工具，可以從評估套件的產品頁面下載控制許多LORA評估套件的功能，包括網絡配置。（圖像源：微晶片科技）
LoRa協議滿足的一個重要的IoT需要遠距離，低功耗，低數據速率的通信。本文討論的LORA物理層和LoRaWAN規范，使這成為可能，并強調各種設備和試劑盒，可幫助設計人員迅速在一系列目標應用的評估Lora的性能。
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