【導讀】在農業、資產跟蹤、公用事業和物聯網 (IoT) 等deng許xu多duo基ji於yu傳chuan感gan器qi的de大da規gui模mo生sheng產chan應ying用yong中zhong，開kai發fa人ren員yuan需xu要yao提ti供gong能neng用yong於yu更geng廣guang泛fan工gong作zuo範fan圍wei的de安an全quan連lian接jie。專zhuan為wei支zhi持chi此ci類lei設she備bei的de超chao大da型xing網wang絡luo而er設she計ji，遠yuan程cheng廣guang域yu網wang (LoRaWAN) 協議能提供有效的解決方案，但要快速實施優化的通信子係統，需要對其足夠熟悉且具備專業知識。

在農業、資產跟蹤、公用事業和物聯網 (IoT) 等deng許xu多duo基ji於yu傳chuan感gan器qi的de大da規gui模mo生sheng產chan應ying用yong中zhong，開kai發fa人ren員yuan需xu要yao提ti供gong能neng用yong於yu更geng廣guang泛fan工gong作zuo範fan圍wei的de安an全quan連lian接jie。專zhuan為wei支zhi持chi此ci類lei設she備bei的de超chao大da型xing網wang絡luo而er設she計ji，遠yuan程cheng廣guang域yu網wang (LoRaWAN) 協議能提供有效的解決方案，但要快速實施優化的通信子係統
，需要對其足夠熟悉且具備專業知識。

本文簡要介紹了 LoRaWAN 及其功能。隨後介紹了 Murata Electronics 的 LoRaWAN 認證模塊，該模塊為開發人員提供了一種即用型解決方案

，可通過低功耗廣域網 (LPWAN) 實現超遠距離連接。為加快原型設計周期
，還配套提供了開發板和軟件支持。

什麼是 LoRaWAN？

LoRaWAN 在現有的無線連接選項中已成為一種有效的解決方案
，適用於基於服務器的應用，可與遠在 Wi-Fi 或藍牙等常用無線方案覆蓋範圍之外的低功耗終端設備連接。在 LoRaWAN 網絡中，應用服務器通過傳統的傳輸控製協議/互聯網協議 (TCP/IP) 網絡與 LoRaWAN 網關通信（圖 1）。

圖 1：在典型的 LoRaWAN 網絡應用中，服務器連接到網關，而網關則借助 LoRa 技術的遠距離
、低功耗功能連接可能位於數公裏之外的終端設備。（圖片來源：Murata Electronics）

LoRaWAN 網關則采用在未授權的工業、科學和醫療 (ISM) 頻帶上運用的 LoRa 亞千兆射頻 (RF) 技術與終端設備通信。LoRa 技術麵向相對低比特率的應用，最大比特率約 10 Kbps，但它在遠距離應用方麵具有獨特的優勢。

LoRa RF 基於擴頻技術，允許開發人員以比特率換距離
，可在農村地區輕鬆實現超過 15 公裏的可靠雙向通信
，在人口密集的城區室內位置可實現超過 5 公裏的可靠雙向通信。

借助 LoRaWAN 的安全模式
，LoRaWAN 協議可保護通信流量。LoRaWAN 采用一對安全密鑰：一個用於確保數據包級別的真實性和完整性

，另一個用於為終端設備與應用服務器之間的信息提供端到端的安全性。

LoRaWAN 協議在平衡終端設備功耗與應用的通信需求方麵具有更多優勢。LoRaWAN 網絡中的設備有 3 種操作類型：A 類、B 類和 C 類。三類設備均可根據需要傳輸信息，但其類別決定何時可以接收信息。

A 類設備能效最高，設計用於事件驅動的操作，例如當傳感器檢測到環境變化時。A 類設備可在兩次事件之間保持休眠狀態，僅在傳感器采集數據後喚醒足夠傳輸數據的時間，然後在上行鏈路傳輸後以指定的延遲（RX1 和 RX2）打開下行鏈路接收窗口（圖 2）。

圖 2：能效最高的 LoRaWAN 類別（A 類操作）讓設備盡可能長時間休眠，僅在向網關傳輸（上行鏈路）數據時才開始工作，並在上行鏈路完成後打開第 1 個接收窗口 (RX1) 和第 2 個接收窗口 (RX2)。（圖片來源：Murata Electronics）

B 類設備支持按應用要求的時間表定期運行。對於 B 類設備
，LoRaWAN 協議允許設備按指定時間表打開下行鏈路接收窗口，利用網關發送的信標使終端設備與網絡同步（圖 3）。

圖 3：LoRaWAN B 類設備利用所連接網關發送的信標來保持定時，從而實現同步的下行鏈路。（圖片來源：Murata Electronics）

C 類設備設計用於需要終端設備持續監聽下行鏈路消息的應用。由於 C 類設備需要保持活躍狀態
，因此通常由線路供電，而 A 類甚至 B 類設備由電池供電（圖 4）。

圖 4：LoRaWAN C 類設備通常由恒定電源供電
，始終保持活躍狀態，在不傳輸上行鏈路消息時不斷監聽下行鏈路消息。（圖片來源：Murata Electronics）

盡管 LoRaWAN 網絡的概念看似簡單
，但其實施卻需要足夠的知識和經驗
，才能在 LoRaWAN 協議的詳細運行參數與其基礎 LoRa 技術之間找到正確的平衡。

經過認證的 LoRaWAN 模塊提供了一種即用型解決方案

Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模塊和關聯固件提供了一種即用型解決方案，可加速 LoRaWAN 網絡連接，為終端設備提供了完整的 LoRaWAN 認證解決方案。該模塊集成了 Semtech 的 SX1262 LoRa 收發器、STMicroelectronics 的 STM32L072 微控製器（帶 192 Kb 閃存）、射頻開關和溫度補償晶體振蕩器 (TCXO)。其采用屏蔽樹脂模塑封裝，尺寸僅為 10.0 x 8.0 x 1.6 mm（圖 5）。

圖 5：Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模塊集成了 Semtech SX1262 LoRa 收發器和運行預加載 LoRaWAN 協議棧的 STMicroelectronics STM32L072 微控製器，可提供完整的 LoRaWAN 連接解決方案。（圖片來源：Murata Electronics）

該模塊采用 3.3 V 單電源，125 kHz 帶寬耗電僅 15.5 mA
，而在相同帶寬和最大擴頻因子下
，數據包錯誤率為 1%
，接收器靈敏度為 -135.5 dBm（分貝數基準為 1 mW）。在 LoRa 的線性調頻擴頻技術實施中
，擴頻因子被定義為每比特的線性調頻數。在傳輸方麵，該模塊可提供高達 +21.5 dBm 的傳輸功率，而最大傳輸功率時的功耗為 118 mA。

LBAA0QB1SJ-296 模塊支持 LoRaWAN A、B 或 C 類設備，提供多種低功耗操作模式，使開發人員能夠平衡性能和功耗。對於電池供電的終端設備（通常以 A 類或 B 類運行）


，該模塊可在超低功耗模式下運行，實時時鍾運行時的功耗僅約為 1.3 µA

，因此可運行數年之久。

快速開發 LoRaWAN 連接設備

使用 LBAA0QB1SJ-296 模塊為終端設備係統添加 LoRaWAN 連接相對簡單。在硬件方麵，該模塊通過模塊的通用異步接收器/發送器 (UART) 接口與終端設備主機處理器相連。除了用於主機通信的 UART 接口外
，該模塊隻需要一個外部天線和一些其他元器件，就能提供一個完整的 LoRaWAN 硬件子係統（圖 6）。

圖 6：使用 Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模塊，開發人員隻需增加幾個元器件，就能在其終端設備設計中添加經過認證的 LoRaWAN 連接。（圖片來源：Murata Electronics）

在軟件方麵，LBAA0QB1SJ-296 模塊預配置了完整的堆棧
，可在 915 MHz 的 ISM 頻段上運行 LoRaWAN。在運行過程中
，終端設備主機處理器使用 AT 命令集管理和監控模塊的工作。

雖然模塊的硬件接口和預加載固件有助於加快定製開發，但 Murata 的 LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK 評估板可讓開發人員立即開始快速原型設計，並加快生產設計的開發（圖 7）。

圖 7：Murata 的 LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK 評估板將 LBAA0QB1SJ-296 模塊與外設和連接器結合在一起
，旨在加快 LoRaWAN 連接的評估和原型設計。（圖片來源：Murata Electronics）

該評估板支持板載 LBAA0QB1SJ-296 模塊
，該模塊帶多種用戶接口設備，包括發光二極管 (LED)
、熱敏電阻和按鈕。開發人員可以使用評估板上的 Arduino Uno V3 連接器添加所需的外設，從而進一步擴展評估板的功能。

要開始評估 LoRaWAN 的應用，開發人員隻需安裝合適的 915 MHz 射頻超小型 A 版 (SMA) 天線、外部電源，並通過 USB 連接器將評估板連接到主機開發係統。

評估板啟動後
，開發人員可使用終端仿真程序或圖形用戶界麵 (GUI) 測試工具測試模塊的運行情況
，這些工具可供注冊評估板用戶使用。為擴展調試，該評估板提供了串行線調試 (SWD) 和 USB 連接器，用於連接 STMicroelectronics ST-LINK 調試器/編程器。

對於端到端應用評估和軟件調試，開發人員隻需添加現成的 LoRaWAN 網關，即可完成評估板與應用服務器之間的通信連接。

總結

LoRaWAN 協議和基礎 LoRa 技術為連接遠距離終端設備提供了有效的解決方案

，而不會影響有限的功率預算。Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模塊設計可加快低功耗廣域網的部署，提供了經過 LoRaWAN 認證的即用型解決方案。借助 Murata Electronics 基於 LBAA0QB1SJ-296 的 LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK 評估板，開發人員可以快速對其 LoRaWAN 網絡應用進行原型設計和評估。

(作者：Stephen Evanczuk)

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