用端到端入门套件加速 LoRaWAN 物联网项目的发展

远程监视和控制应用涵盖从农业、采矿业到智慧城市的众多应用，对于这些应用的物联网 (IoT) 传感器和执行器网络的设计者来说，都需要一个安全、坚固、低维护和相对容易部署的长距离无线接口。LoRaWAN 是这类应用的不错选择，它在农村的视距连接范围可达 15 km，在城市地区可达 5 km——使用电池寿命可持续 10 年的终端设备。

虽然 LoRaWAN 是一种成熟的低功耗广域网络 (LPWAN) 技术，但开发者始终需要一种方法来简化部署和云连接。

对于刚接触 LoRaWAN 物联网项目的工程师来说，不仅需要设置无线终端设备，还需要连接网关和云物联网平台，处理由此造成的复杂性是他们面临的难题。有了供应商的入门套件，这些工作就容易多了，这些套件包括了构建和运行原型所需的一切。

本文将介绍 LoRaWAN，说明该技术如何通过形成一个 LPWAN 将传感器数据转发到云端来补充短距离无线传感器网络。然后介绍并描述如何使用 Digi XON-9-L1-KIT-001 入门套件来设计、开发和配置基于工业平台的 LoRaWAN 物联网解决方案。该套件包含一个多传感器终端设备、一个多通道网关和一个设备到云的物联网平台。

什么是 LoRa 和 LoRaWAN？

LoRaWAN 是一种用于物联网设备的 LPWAN 技术，其特点是数十公里覆盖距离、低吞吐量（250 bits/s 至 50 Kbits/s，具体取决于载波频率）以及极低功耗（电池寿命可达十年，视具体应用而定）。表 1 对 LoRaWAN 与其他物联网技术进行了比较。

表 1：LoRaWAN 是一种 LPWAN 物联网无线协议，其特点是适合低吞吐量、长距离运行。该表显示了该技术与其他无线物联网技术的对比情况。（图片来源：Semtech）

LoRa 规范定义了支撑 LoRaWAN 的物理层 (PHY) 和调制技术。协议栈的媒体访问控制 (MAC) 层由 LoRaWAN 标准规定（图 1）。

图 1：LoRa 物理层 (PHY) 和调制技术、LoRaWAN MAC 以及应用层构成了 LoRaWAN 协议栈。（图片来源：Semtech）

该技术传输范围的关键是使用一种改良形式的直接序列扩频 (DSSS) 调制方法。DSSS 在比原始信息带宽更宽的带宽上传播信号，使其不容易受到干扰，因此扩大了传输范围。DSSS 的缺点是需要一个精确度高（且昂贵）的参考时钟。LoRa 线性调频扩频 (CSS) 技术提供了一种取消了时钟的低成本、低功耗 DSSS 替代方案。CSS 通过产生一个频率连续变化的线性调频信号来传播信号频谱（图 2）。

图 2：LoRa CSS 技术通过产生一个频率连续变化的线性调频信号来传播信号频谱。该技术消除了 DSSS 技术中使用昂贵参考时钟的需求。（图片来源：Semtech）

使用 CSS，发射器和接收器之间的定时和频率偏移相等，这进一步降低了接收器的设计复杂性。LoRa 调制技术还包括一个可提高传输信号稳健性的可变纠错方案，进一步扩大了传输范围。这样，发射器 (Tx) 功率和接收器 (Rx) 灵敏度（以“分贝毫瓦 dBm”为单位）链路预算结果约为 154 dBm，使得单个网关或基站就能够覆盖整座城市。

在北美地区，LoRaWAN 使用 902 至 928 MHz 工业、科学和医疗 (ISM) 频谱分配方案。该无线协议定义了 64 x 125 kHz 上行链路，从 902.3 MHz 到 914.9 MHz，递增量为 200 kHz。还有 8 个 500kHz 上行链路，从 903MHz 到 914.9 MHz，递增量为 1.6 MHz。八个下行链路宽为 500kHz，从 923.3 MHz 到 927.5 MHz。北美地区的最大发射 (TX) 功率为 30 dBm，但对于大多数应用来说，20 dBm 发射功率就足够了。根据美国联邦通信委员会的规定，没有占空比限制，但每通道有 400 ms 的最长驻留时间。

网状网络是一种通过在节点之间转发信息以到达网络边缘来扩大传输范围的技术，但这种技术会增加复杂性，降低容量并缩短电池寿命。LoRaWAN 没有使用网状网络，而是采用了每个（长距离）节点都直接与网关连接的星形拓扑结构。节点不与特定的网关相关联。相反，一个节点传输的数据通常由多个网关接收。然后，每个网关通过某种形式的回程（通常是蜂窝、以太网、卫星或 Wi-Fi）将从终端节点接收的数据包转发到基于云的网络服务器上（图 3）。

图 3：LoRaWAN 采用星形拓扑结构，每个终端设备都直接与一个或多个网关连接。每个网关然后通过回程连接将信息转发给基于云的网络服务器。（图片来源：Semtech）

为了使长距离的星形网络切实可行，网关必须能够接收来自大量节点的信息。LoRaWAN 通过采用自适应数据速率、能在多个通道上同时接收信息的网关来实现这种高容量。一个八通道网关可以支持每天几十万条信息。假设每个终端设备每天发送十条信息，则这类网关可支持大约 10,000 个设备。如果需要更多的容量，可以在网络中增加网关数量。

用于快速原型开发的 LPWAN入门套件

LPWAN 技术很复杂，对没有经验的工程师来说是个挑战。开发者不仅要用安全、强大的连接来设置无线终端设备，还要将其与网关连接，将其作为网络的一部分，再连接云物联网平台。

使用诸如 Digi 的 XON-9-L1-KIT-001 等定制入门套件（图 4），可以更加简单地构建端到端 LoRaWAN 物联网解决方案。有了这样的入门套件，工程师可以迅速熟悉流程中的每个步骤并知道可以快速进入下一阶段。因此，非专业人士也能迅速构建一个完整的 LoRaWAN 物联网解决方案原型。

图 4：XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN 入门套件包括进行网络连接原型开发所需的一切，包括 HXG3000 以太网网关、上行和下行链路、客户端盾板、天线、电源和编程接口。（图片来源：Digi）

LoRa 的特点是将网络下行链路延迟与电池寿命进行权衡；Digi 入门套件可支持 LoRaWAN A 类（最低功率、双向终端设备）和 C 类（最低延迟、终端设备接收器始终工作、双向终端设备）。

该入门套件提供了快速、安全地构建 LoRaWAN 原型所需的一切。具体来说，该套件包括一个上行/下行链路、一个带有 LoRaWAN 模块的扩展板或“客户端盾板”、一个 LED、一个数字输入、温度传感器、一个 Digi 8 通道 LoRaWAN HXG3000 以太网网关、一个嵌入式开发者应用编程接口 (API) 以及一个具有扫描即用型移动配置的设备到云平台 30 天免费试用账户。

HXG3000 网关通过 LoRaWAN 提供远距离、非视距双向通信，每天可处理多达 150 万条信息。该产品包括一个 1.7 dBm 的全向无线电，具有高达 27 dBm 的 Tx 功率和 -138 dBm 的 Rx 灵敏度。在免许可的美国 902 MHz 至 928 MHz 频段运行。该设备可采用交流电源或通过以太网供电 (PoE)。提供以太网和 LTE Cat M1 回程型号。

Digi 的 LoRaWAN 客户端盾板是入门套件的一部分，能满足工程师在 LoRaWAN 传感器原型构建和开发方面的需求。该器件可连接选定的兼容型 STMicroelectronics Nucleo（例如 NUCLEO-L053R8）和 Arduino ARM Keil® Cortex®-M 级微控制器开发板，以实现 LoRaWAN 客户端连接。除了Arduino 可叠接连接器外，客户端盾板还具有一个低功耗热敏电阻温度传感器、数字输入滑动开关和一个数字控制式红、绿、蓝 (RGB) LED。该盾板上有一个 U.FL 连接器，相关的天线也作为套件的一部分包含在内。该盾板还集成了 LoRaWAN 模块，可在免许可的美国 902 MHz 至 928 MHz 频段运行。TX 功率为 14 至 20 dBm（图 5）。

图 5：内含 LoRaWAN 模块的 XON-9-L1-KIT-001客户端盾板可以安装在 STMicroelectronics Nucleo（此处所示）或者 Arduino 开发板上。（图片来源：Digi）

Digi X-ON 是一个完整的、用于物联网终端设备的设备到云平台。该平台同时提供了一个集开发和运行于一体的云解决方案。X-ON 集成了一个集成式 LoRaWAN 网络服务器，并与服务器连接以支持运行 LoRaWAN 无线协议的设备和网关。这种连接服务器会处理连接流程，包括网络和应用服务器认证和生成会话密钥。

开发者通过该平台能够完成以下工作：

• 从网络和移动界面配置、监测和诊断设备或网关
• 用配置应用程序自动部署设备和网关
• 管理无线网络网关
• 直接从终端设备收集数据并进行数据
• 使用云间 API，在多个云平台之间获得实时、双向的设备数据
• 记录和跟踪实时数据信息，以便与终端设备和网关进行互动操作和故障排除
• 通过开放式 API 整合数据，以便与第三方实用程序开发更复杂的应用（图 6）。

图 6：Digi X-ON 是一个用于物联网终端设备的设备到云平台。通过该平台，开发者可使用智能手机的配置应用程序自动部署设备和网关。然后，开发者可以从网络和移动设备界面配置、监测和诊断设备或网关。（图片来源：Digi）

启动 LoRaWAN 项目

由于客户端盾板、STMicroelectronics Nucleo 和 Arduino 开发板使用嵌入式 ARM Keil 微控制器，而“ARM Keil 的 Mbed enabled”也是如此，因此使用 Digi 入门套件启动项目是相对简单的。（ARM Keil Mbed 是一个基于 32 位 ARM Keil Cortex M 级微控制器的物联网设备平台和操作系统 (OS)。)客户端盾板包括一种嵌入式 AT 指令语言和一个简化型 ARM Keil Mbed C++ 嵌入式 API，旨在将设计复杂性抽象化，进而简化开发。

借助 Digi LoRaWAN 入门套件的 Mbed 兼容性，应用开发工作能够使用 ARM Keil 的 Mbed 在线资源。这些资源包括三个选项。Mbed 在线编译器使开发者无需进行任何安装，就能立即开始应用开发。唯一需要的只是一个 Mbed 账户。

对于更高级的应用开发，可以将 Digi LoRaWAN 入门套件与 Mbed Studio 连接，这是一个用于构建、编译和调试 Mbed 程序的桌面集成开发环境 (IDE)。最后是 Mbed CLI，这是一个可以集成到开发者首选的 IDE 中的指令行工具。

最快的开发路线是首先创建 Digi X-ON 账户。接下来，开发者需要注册一个 Mbed 在线编译器账户。然后，在开发板上安装好客户端盾板后，需要用 USB 线将该组件连接与台式电脑连接。客户端盾板上的“PWR” LED 和开发板上的 “COM” LED 将点亮，表明电子装置已经通电。

然后，Mbed 在线编译器引导开发者通过一系列简单的步骤将硬件平台添加到编译器中。一旦硬件添加完成，就可以从 Mbed 资源库（或其他库）中的传感器应用示例将代码导入编译器，并下载到开发板中。编译器也可以用来改变 LoRaWAN 的配置，如设备类别和网络连接模式（图 7）。

图 7：可以轻而易举地使用 ARM Keil Mbed 在线编译器改变诸如设备类别、网络加入模式等 LoRaWAN 配置。（图片来源：Digi）

只要网关在运行，客户端盾板/开发板就会连接网络，并开始每 15 秒发送一次上行链路（默认模式下）。在 X-ON 帐户页面，只要按下“流”按钮，从设备传输的数据就会显示在屏幕上。

结语

对于物联网检测和执行器网络的设计者来说，LoRaWAN 可以实现免许可射频接入、数十公里的传输距离、低功耗、良好的安全性和可扩展性，以及强大的连接。但是，像许多物联网无线协议一样，处理终端设备的连接、配置、网关以及将传感器数据流转到云端可能是一个挑战。

如图所示， Digi LoRaWAN 入门套件解决了许多此类问题。其特点包括：采用具有简化型 ARM Keil Mbed C++ 嵌入式 API 的客户端盾板，具有以太网回程的 LoRaWAN 网关，以及具有扫描即用型移动配置的 X-ON 设备到云平台。使用该入门套件，开发者可以通过 LoRaWAN 硬件原型快速启动和运行，开发和移植传感器和执行器的应用代码，并使用云平台分析、展示数据。