如何利用 LPWAN射频模块快速启动低功耗无线物联网感测

2019年10月09日 作者:Teardown

在考虑物联网 (IoT) 传感器的无线连接时,开发人员通常首先想到的是 Wi-Fi、Zigbee 或蓝牙。但是现实情况是,应用常常要求更低的功耗、更长的覆盖距离、不同的使用模式和更低的数据速率,超出了这些技术所能提供的范围。设计人员与其从头开始自己设计无线接口,承受相关的成本、潜在的延迟和返工问题,不如使用现成模块来实现各种相对较新的低功耗广域网 (LPWAN)。

这些 LPWAN 包括 Sigfox、LoRaWAN 和较新的 Radiocrafts 工业物联网 (RIIoT),它们全都旨在连接相对简单的工作在中采样率的传感器,并且能长距离(最长超过 50 km)发送短促而稀少的突发数据。此类应用通常会规定非常严格的功耗约束条件,目的是最大限度地延长位于偏远或不便场所的传感器的电池寿命。理想情况下,放置在此类场所的传感器依赖纽扣电池或 AAA 电池将能可靠地工作长达 10 年。

本文将讨论典型远程物联网感测的设计要求以及 Sigfox、LoRaWAN 和 RIIoT 的特性。接着会介绍 Pi Supply、Sigfox 和 Radiocrafts 提供的合适模块,并说明如何使用这些模块。

LPWAN 特性

LPWAN 的窄带宽是其低功耗工作的秘诀之一(图 1)。根据信息理论的基本原则,信号带宽和信噪比 (SNR) 与信息传输的错误率密切相关。SNR 越大或带宽越窄,错误率越低。

利用这种关系,LPWAN 以低输出功率实现高度可靠的长距离信息传输。通过采用相对较低的数据速率,LPWAN 系统还降低了信号带宽要求。其结果是 LPWAN 系统可以实现数千米的通信距离。

LPWAN 系统的第二个关键特性是,它使用国际免许可的工业、科学和医学 (ISM) 频带 (886 - 906 MHz) 中的亚千兆赫兹 (GHz) 频率。根据公式 1,在给定发射功率下,以这些频率(波长更长)工作可减少自由空间路径损耗,提升有效覆盖范围:

公式 1 公式 1

其中:

d = 距离

λ = 波长

在较低频率下,障碍物(例如墙壁和建筑物)吸收的射频 (RF) 能量较少,使得 LPWAN 系统在城市环境中具有出色的穿透能力。

基于 ISM 的设计不需要许可证,但仍需要遵守关于 ISM 频段工作的全球电源和电磁兼容性法规。

LPWAN 示例

虽然有多种 LPWAN 方案可供选择,但对于寻求快速开发基于传感器的物联网应用的开发人员而言,LoRaWAN、Sigfox 和最近推出的 RIIoT 是三种明智的选择方案。每一种方案都有预配置的无线电和传感器接口模块支持,可供开发人员轻松导入其设计中,另外还有开发套件帮助快速完成设置及应用开发。

LoRaWAN 网络基于 LoRa 联盟所管理的开放标准以及 Semtech Corp 拥有并授权的专有扩频无线电技术。该网络采用星形拓扑结构,允许单个节点与多个网关进行通信,从而实现漫游。它支持网关和节点之间的双向通信,让网关可将消息从一个节点中继到另一个节点,以及传送到基于云的服务器。

LoRaWAN 可实现 300 bps 到 50 kbps 的数据速率,可处理最多 243 字节的消息有效载荷,并使用 125 kHz 或 250 kHz 的信号带宽。它支持自适应数据速率,以便在变化的条件下保持信号可靠性,并且在城市环境中实现 5 km 的覆盖范围,视距 (LoS) 可达 20 km。用户可以开发节点并接入商业运营网络,或者利用自己的网关和回程网络建立专用网络。

Sigfox 是由 Sigfox 开发和管理的专有协议,该公司将技术授权给芯片开发人员,并让用户可以通过全球网关基站访问其网络。Sigfox 可在 100 赫兹 (Hz) 信号带宽下将数据速率保持在 600 bps,从而能够实现最大的覆盖范围。在无障碍视线条件下可以达到 40 km,在城市环境下可以达到 10 km。其轻量级协议将上行链路消息包限制为 26 字节(最多 12 字节的用户数据),因此发射器仅短暂通电。节点每天只能发送 140 条消息,网关在收到节点的上行链路消息之后,每天只能向节点发送下行链路消息 4 次。因此,节点无线电处于活动状态的时间非常短,大部分时间都处于休眠模式以尽量降低功耗。

虽然 LPWAN 无线电属于低功耗类型,但在现实世界中,低功耗是一个相对意义上的术语。例如,Radiocrafts 的 Sigfox 模块产品有两个不同的功耗选择。RC1692HP-SSM 高功耗传感器接口模块通过 UART 连接与主机微控制器通信,并提供 SPI、I2C、模拟和 GPIO 端口用于连接传感器(图 2)。该模块采用 2.8 至 3.6 V 电源供电。

在休眠模式下,模块消耗 1 µA 电流。在连接了传感器的活动模式下,空闲时消耗的电流小于 20 µA,发射时消耗的电流小于 292 mA。

较低功耗的 RC1682-SSM 模块面向欧洲市场,消耗的电流要少得多,发射时仅为 58 mA。

RIIoT 是供开发人员考虑的最新 LPWAN 方案之一。它建立在 IEEE 802.15.4g/e 物理层 (PHY) 标准之上,此标准最初是为智能计量和过程控制应用而开发的。它增加了射频和媒体访问控制 (MAC) 特性,支持低功耗、长距离和高级安全性。通信是通过星形网络双向进行,提供小于 15 ms 的可预测网络延迟,以支持近实时控制应用。

RIIoT 有两种数据速率(5 kbps 和 50 kbps)和两种功耗级别,以便开发人员可以优化并权衡电池寿命、数据速率和覆盖范围,从而最好地满足需求。在低功耗、高数据速率的情况下,RIIoT 网络可以实现 5 km 无障碍视距和 200 m 城市覆盖范围,突发传输时间为 3.5 毫秒 (ms)。在更高输出功率和更低数据速率下,可实现 60 km 无障碍视距和 2 km 城市覆盖范围,突发传输时间为 45 ms。典型叶节点的休眠电流为 0.7 微安 (µA)。

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