LoRa 网络的 4 个构建模块

本文介绍了 LoRa 网络架构的四个主要元素，并讨论了设计人员在开发 LoRa 终端节点时面临的一些最常见的挑战。监管认证的 LoRa 模块如何帮助克服这些挑战？

你将学到什么：

LoRa网络架构的四个主要要素。

设计人员在开发 LoRa 终端节点时面临的一些常见挑战以及如何解决这些挑战。

监管认证的 LoRa 模块如何帮助克服这些挑战并缩短上市时间。

远程 (LoRa) 技术通过将远程无线连接与低功耗性能相结合，正在扩展物联网 (IoT) 的覆盖范围。

从智慧城市到智慧农业，再到供应链跟踪，LoRa 是创建可在城市和农村环境中运行的灵活物联网网络的理想选择。但开发一种新的 LoRa 解决方案或迁移到一个解决方案真的有多容易呢？

了解新的无线技术并为您的应用选择正确的解决方案可能会让人筋疲力尽。无线射频 (RF) 设计通常需要深入的 RF 专业知识，并会增加设计人员的大量开发时间。

LoRaWAN网络架构

LoRa 是一种无线调制技术或物理层，允许低功耗终端设备进行长距离通信。 LoRaWAN 是一种充当媒体访问控制 (MAC) 层的无线网络协议，在 LoRa 物理层之上实现。 LoRaWAN 规范详细介绍了通信协议和网络架构，旨在提供终端设备的安全通信和网络内的互操作性。

LoRa 网络有四个要素（图 1）：

终端节点是 LoRa 生态系统的元素，用于收集传感器数据并传输/接收数据。它们通常是远程连接的并且由电池供电。

网关是终端节点和网络服务器之间的透明桥梁。通常，终端节点使用 LoRaWAN 连接到网关，而网关使用 Wi-Fi、以太网或蜂窝网络等高带宽网络连接到网络。

一个网络服务器连接到多个网关。它从网关收集数据并过滤掉重复的消息，决定哪个网关应响应终端节点消息，并调整数据速率以延长终端节点的电池寿命。

应用服务器从端节点收集数据并控制端节点设备的动作。

让我们仔细看看 LoRa 终端节点以及设计它们的挑战。

LoRa 终端节点设计中的常见挑战

终端节点是简单的对象，例如传感器和执行器。通常，它们包含物联网 (IoT) 中的“事物”。在 LoRaWAN 生态系统中，终端节点通过一个或多个网关与网络服务器进行通信。

LoRa 终端节点通常是需要高能效的低成本电池供电应用。根据开发时间、目标成本、功耗和可用的射频专业知识，有多种选项可用于构建 LoRa 终端节点。在研究这些选项之前，让我们先看看设计人员在设计终端节点时面临的一些最常见的挑战。他们包括：

射频设计

与任何无线设计一样，设计 LoRa 终端节点时需要丰富的射频设计专业知识。使用 LoRa 片上系统/封装系统 (SoC/SiP) 时，终端节点设备开发人员负责整个 RF 设计，包括原理图、物料清单 (BOM)、PCB 布局、天线调谐、和其他射频硬件。

即使有最好的文档和应用设计指南，射频设计也并不总是那么容易。它不仅需要深入的射频专业知识，而且还会增加设计人员大量的开发时间。此外，调试射频设计通常需要特殊设备，这进一步增加了开发成本。

为了克服 RF 设计挑战，一些供应商提供 SoC/SiP，并由优秀的文档、监管认证的参考设计和详细的芯片封装设计包提供支持。然而，为了最短的开发时间和降低风险，射频优化、测试和认证的 LoRa 模块几乎总是最佳选择。这些模块可以作为单个组件提供完整的解决方案，从而降低设计风险并缩短开发时间。

LoRa/sub-GHz 无线电通常在 ISM 免许可频段运行。频率因地区而异，这对硬件和软件设计人员来说充满挑战。必须谨慎设计完全合规的解决方案，同时保持 BOM 成本最低。此外，射频监管要求也在不断变化。因此，对于终端节点开发公司来说，跟上监管变化、重新测试设备以及重新认证合规性可能会花费数千美元以及工程时间，而这些资金和时间本来可以花在新项目。

使用经过认证的LoRa模块可以轻松解决这个问题；模块制造商负责满足监管要求，并根据最新规范重新认证模块。通过选择经过监管认证的 LoRa 模块，可以完全避免在监管合规性上花费的所有这些成本和时间。

多区域运营

LoRa 设备支持多种频率，具体取决于所在地区。终端节点制造商通常首先在一个主要地区发布其终端产品。一旦需求增加，公司就会考虑在其他地区推广相同的设计。拥有支持多个区域的单一 SKU 可以将最终产品无缝迁移和扩展到不同的国家和地区。适用于多个频段的监管认证 LoRa 模块是此类产品扩展的理想选择。

强大的软件

一般来说，LoRa 模块将整个 LoRaWAN 堆栈集成在模块内部。端节点开发者只需实现模块的初始化和通信即可。对于 LoRa SoC/SiP 和独立 LoRa 模块，堆栈必须由制造商提供，或者如果未提供堆栈，则开发人员必须开发自己的堆栈。

为了最大限度地减少软件开发，建议选择制造商的 LoRaWAN 堆栈支持的 LoRa 模块/IC。制造商经过验证的 LoRaWAN 堆栈可确保终端节点与主要 LoRaWAN 网络和网关的互操作性，使终端节点能够跨不同网络工作，并降低风险。

从模块到 SoC 的迁移路径

许多公司使用经过认证的模块开始原型和初始生产，以降低风险并使产品更快进入市场。一旦他们的产品开始增加，公司可能会决定转向 LoRa SoC/IC，以提高灵活性或降低 BOM 成本。

迁移并不总是那么容易，因此考虑允许在模块和 IC 之间进行简单软件迁移的独立模块非常重要。此外，选择同时销售模块和SoC的供应商也很重要；因此，开发平台、软件移植和支持结构保持不变。

经过监管认证的 LoRa 模块简化了 LoRa 终端节点设计

LoRa 模块由所有必需的无线电组件以及 LoRaWAN 堆栈和射频电路组成，从而有助于加速 LoRaWAN 终端设备的开发。

由于射频开发和认证由模块制造商实施，任何认证规范的变更或组件更换都完全由制造商处理，为终端设备制造商节省了大量的开发时间和重新认证成本。

具有高度集成的 LoRa IC 的独立 LoRa 模块提供足够的内存来运行应用程序代码以及 LoRaWAN 堆栈。这样就不需要外部微控制器，从而节省了电路板空间和系统成本。图 2和图 3显示了此类独立模块的一个简单示例。

WLR089U0 LoRa 模块的框图

WLR089U0 LoRa 模块基于 Microchip Technology 的 SAM R34/35 系列 IC。

基于Microchip Technology的 SAM R34/35 系列 IC 的WLR089U0模块是一款紧凑型模块，具有 256 kB 闪存和 40 kB RAM，非常适合空间受限的应用。

此外，该模块还包括一个集成射频开关，可实现多频段操作，并允许在多个地区使用同一模块，从而促进最终产品的市场扩张。 WLR089U0 还得到 Microchip 的 LoRaWAN 堆栈和专有点对点软件的支持，简化了开发 LoRa 应用的最终用户的软件开发。

由于这些模块基于 SAM R34/35 IC，因此从模块到 IC 的迁移路径（反之亦然）也简单得多。选择此类模块有助于克服开发 LoRa 终端节点时的所有常见设计挑战，从而简化整个设计流程。

结论

开发 LoRa 终端节点可能非常复杂且耗时。高度集成、经过认证的 LoRa 模块提供了一种简单且经过验证的方法来克服设计这些终端节点所涉及的复杂挑战。

可靠的软件、更大的内存、集成射频开关和监管认证是 LoRa 模块需要具备的一些关键特性。选择经过高度认证的 LoRa 模块不仅有助于简化设计流程，还使终端节点开发人员能够成功区分其产品并更快地将其推向市场。