LoRaWAN介绍15 终端设计

“大自然和智慧在任何事物上都不存在分岐”–玉外纳

 

因为应用在广阔的行业内，在传感器、执行器、供电、通信延时等不同的要求，让LoRaWAN的End Node呈现种类繁多的形态。同时，80%的共性还是存在的，包括：整体架构、LoRaWAN协议栈、软件开发模式等。

1 整体架构

一般说来，一个End Node硬件包括以下四部分：

MCU：实现LoRaWAN协议栈、控制LoRa射频、驱动外设和实现应用程序；

LoRa radio：实现LoRa信号接收与发送；

外设：驱动传感器、控制I/O端口等；

供电：通过电池或市电给整个系统提供电源。

一个End Node的软件包括：

驱动层：主要是驱动总线，从而与LoRa射频、传感器和执行器通信；

中间件：包括LoRaWAN协议栈和能耗管理；

应用层：满足用户的业务需求，如采集数据并初步加工，定时上传等。

2 产品方案

设计一个End Node至少有3种方案：chipset、module和modem。

2.1  Chipset

硬件：选购一款低功耗的MCU，采购SX127x射频芯片，设计RF电路，实现PCB，调试天线和射频匹配，连接传感器或执行器。

软件：MCU实现LoRaWAN协议栈，控制SX127x射频电路，驱动外设，实现用户应用。

优点：取得最大灵活性，硬件成本可控。

缺点：难度大，周期长，研发和测试成本高。

2.2  Module

硬件：连接传感器或执行器。

软件：MCU实现LoRaWAN协议栈，驱动外设，实现用户应用。

优点：省去硬件设计，有成熟的开发与测试平台。

缺点：自行实现LoRaWAN，软件方面有挑战。

2.3  Modem

硬件：选购一款低功耗MCU，通过UART（或SPI等）连接LoRa Modem，连接传感器或执行器。

软件：MCU控制LoRa Modem，驱动外设，实现用户应用。

优点：难度小，时间短，研发和测试成本低。

缺点：硬件成本高，LoRaWAN协议栈升级依赖厂商。

针对上面三种方案，一个EndNode该如何选择呢？这依赖下表的因素。

3 软件开发

一个End Node的软件开发依赖上述三种方案的选择：

Chipset：根据MCU选择合适的IDE（如：IAR或Keil等），是否需要移植OS，移植官方的LoRaWAN协议栈，可以从以下链接获取官方源代码：https://github.com/LoRa-net/LoRaMac-node

Module：一般而言，供应商提供IDE、OS等平台，用户需要实现或管理LoRaWAN。

Modem：这是难度最小的方案，根据Modem提供的命令集，初始化LoRaWAN协议栈，读取和发送数据包。

4 选择天线

工作在470MHz（中国地区）的End Node，1/4波长的天线约16.0cm。有3种可选的天线方案。

专用OEM天线：设计专用的天线可以达到最佳的发射功率和接收灵敏度，然而，这需要一个高品质的天线厂商，成本较高。

PCB天线：对覆铜的要求高，走线的曲直和宽窄都影响天线的性能。

1/4波长天线：实现简单，但容易因天线长度和绕线而引入个体误差，在使用中需要保证天线外形稳定，否则会影响性能。

5 降低功耗

节能是一个细致功夫，它包括：MCU选型、电路设计、管脚控制、工作模式、开关外设和软件算法等。考察一个End Node的功耗，至少需要了解以下5种模式的功耗和占空比（该模式占用多长的时间）。

休眠：MCU，RF和外设都关闭，一般仅RTC工作；

空闲：除MCU外，其他都关闭；

运行：除RF外，其他（包括MCU和外设）运行；

接收：侦听或接收一个数据包；

发射：发射一个数据包；

关于节能更多资料请链接：http://www.rimelink.com/nd.jsp?id=53&_np=107_316

6 固件升级

以下2个原因限制了通过LoRa无线升级End Node的固件：

LoRa速率低，并且ISM频段有duty cycle法规，不适合传输较大的数据块；

每个End Node有2个Key（NwkSKey和AppSKey）的密钥，除非它们的Key都相同，否则无法组播（或广播）升级固件。

可见，固件的升级还是依赖厂商使用特殊的工具，如：通过UART或USB升级，通过蓝牙或红外升级等。