為了讓我們的生活方式更具效率，工業(yè)化世界正變得越來越自動(dòng)化。除了具有經(jīng)濟(jì)上的意義，提升效率還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生有利影響，因?yàn)槲覀兿牡淖匀毁Y源更少，產(chǎn)生污染物也更少。

自動(dòng)化的基礎(chǔ)就是閉環(huán)控制系統(tǒng)，它需要數(shù)據(jù)形式的輸入。這種數(shù)據(jù)是通過使用數(shù)量巨大的傳感器監(jiān)控相關(guān)過程產(chǎn)生的。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，任何事物都是潛在的數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)要通過連接來進(jìn)入控制回路。互聯(lián)世界提供了豐富的有價(jià)值信息。

可以說，功能最多樣的連接媒介就是無線連接，因?yàn)樗艘粚?duì)位于相互傳輸范圍內(nèi)的收發(fā)器之外，只需要很少的基礎(chǔ)設(shè)施，甚至不需要任何基礎(chǔ)設(shè)施。國際認(rèn)可的授權(quán)限制為專注于免許可頻段帶寬的解決方案創(chuàng)造了市場。在 2.4 GHz 頻段中工作的 Wi-Fi 和藍(lán)牙或許是其中最流行的技術(shù)。

但是，對(duì)于長距離工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用而言，Sub-GHz 技術(shù)占據(jù)了絕對(duì)主導(dǎo)地位。與基于 2.4 GHz 頻段的技術(shù)相比，Sub-GHz 技術(shù)的傳輸范圍更大，但隨之帶來的弊端是數(shù)據(jù)速率受到影響，這通常不是傳感器網(wǎng)絡(luò)的問題。圖 1 顯示了 Sub-GHz 技術(shù)在無線頻譜中所處的位置。

圖 1：物聯(lián)網(wǎng)中所應(yīng)用無線技術(shù)之比較。

預(yù)認(rèn)證型解決方案

對(duì)于很多工程師而言，射頻仍然是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可能需要多年經(jīng)驗(yàn)才能勝任。高度集成的無線解決方案的普及在這方面為我們提供了一定幫助，特別是在 ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）免許可頻段技術(shù)領(lǐng)域，例如 Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee 等解決方案。一般來說，任何無線產(chǎn)品，即便是工作在 ISM 頻率的產(chǎn)品，也必須遵守任何所分銷地區(qū)的相關(guān)法規(guī)要求。通常需要讓產(chǎn)品通過由經(jīng)過認(rèn)可和授權(quán)的測試實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行的資質(zhì)認(rèn)可和認(rèn)證測試。提供面向無線應(yīng)用的集成電路的大多數(shù)半導(dǎo)體制造商都能在這方面對(duì)我們有所幫助，但對(duì)于 OEM 而言，這仍然是一個(gè)必需的流程，可能耗費(fèi)大量成本。

進(jìn)行芯片級(jí)別開發(fā)的一種常見替代方法就是使用預(yù)認(rèn)證型模塊。在這種情況下，絕大多數(shù)設(shè)計(jì)工作已由制造商完成，包括合規(guī)和認(rèn)證流程。但要注意的是，只有在與認(rèn)證過程中采用的相同工作條件下（天線選擇、調(diào)制方案）使用時(shí)，認(rèn)證才適用于模塊，這一點(diǎn)非常重要。雖然很可能還需要對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步測試，但由于模塊已經(jīng)過預(yù)先認(rèn)證，測試的成本、時(shí)間和工作量得以顯著降低。

預(yù)認(rèn)證型模塊的使用，可以讓我們?cè)谠S多應(yīng)用（包括長距離傳感器網(wǎng)絡(luò)）中添加無線連接變得盡可能簡單。為了支持這個(gè)特殊應(yīng)用領(lǐng)域，近年有多種無線技術(shù)相繼問世，包括 LoRaWAN 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及 Sigfox、Tinymesh 和 Whisker.io 等專利技術(shù)。

LoRa 模塊的實(shí)例包括來自 Microchip 的 RN2483 和來自 Murata Electronics North America 的 CMWX1ZZABZ-078。RC1692HP-SIG 是來自 Radiocrafts AS 公司的 Sigfox 模塊，該公司還提供采用其專有協(xié)議 Tinymesh 的 RC1191HP-TM 模塊。專有解決方案的另一個(gè)實(shí)例是來自 Digital Six Labs 的 Whisker.IO Engine。在下文中，我們將更詳細(xì)地介紹這些模塊及其協(xié)議，并探討如何在長距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用它們。

低功耗、寬范圍

長距離（若干公里）工作的各種低功耗無線技術(shù)的興起，讓行業(yè)獲得了所需的動(dòng)力而開始建立 LoRa 聯(lián)盟并制訂 LoRaWAN 協(xié)議。LoRa 使用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌荚谧屩圃焐棠軌蚴褂每苫ゲ僮鞯慕鉀Q方案，更加簡便地創(chuàng)建自己的網(wǎng)絡(luò)，而無需依賴于網(wǎng)絡(luò)提供商。它還提供了私有網(wǎng)絡(luò)，在這種網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)通常能夠與蜂窩基站共存，將空閑容量用于回程。

Microchip 的 RN2483 模塊旨在用于網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備，例如傳感器節(jié)點(diǎn)和致動(dòng)器。該模塊的傳輸距離超過 15 km 公里，電池壽命達(dá)到 10 年以上，通過 R&TTE 認(rèn)證，可在歐洲使用。該模塊提供 14 個(gè)通用 I/O，能夠與很多傳感器和致動(dòng)器連接，而集成 UART 端口則提供與主機(jī)微控制器的接口。該模塊能夠在 433 MHz 或 868 MHz 的頻率下工作，由主機(jī) MCU 使用通過 UART 接口發(fā)送的 ASCII 指令配置（圖 2 顯示了該模塊的框圖）。

圖 2：來自 Microchip 的 RN2483 LoRa 模塊。

CMWX1ZZABZ LoRa 模塊將來自 Semtech 的 SX1276 收發(fā)器 與來自 STMicroelectronics (ST) 的 STM32L0 系列 MCU 集成在一起，運(yùn)行 LoRa 協(xié)議。該預(yù)認(rèn)證型模塊同時(shí)符合 868 MHz 和 915 MHz 傳輸標(biāo)準(zhǔn)。可以使用 ST 的 LoRaWAN SDK，將應(yīng)用代碼添加到 MCU。用于 STM32L0 的 Keil MDK 也支持該模塊。

與 LoRaWAN 不同，Sigfox 是一種在由 Sigfox 合作伙伴在本地運(yùn)營的私有網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的專有協(xié)議。這種協(xié)議的獨(dú)特之處在于不再需要協(xié)商連接。節(jié)點(diǎn)只傳輸有效載荷，用戶通過云連接獲取數(shù)據(jù)。在這方面，它提供了將傳感器連接到互聯(lián)網(wǎng)的最簡單方法。RC1692HP-SIG 是來自 Radiocrafts 的預(yù)認(rèn)證型 Sigfox 模塊，在 902 - 928 MHz 頻段中工作，支持兩種網(wǎng)絡(luò)模式：僅上行鏈路和上行鏈路/下行鏈路。前者在只提供數(shù)據(jù)的傳感器模式下使用，而后者可用于在節(jié)點(diǎn)中包括某種形式的致動(dòng)。

在該頻譜的 sub-GHz 部分，該專有協(xié)議仍然具有潛力，在這個(gè)頻段，它們?cè)趥鹘y(tǒng)上作用一直很強(qiáng)，甚至在物聯(lián)網(wǎng)問世之前也是如此。同樣來自 Radiocrafts 的 RC1191HP-TM 也實(shí)現(xiàn)了其自已的專有協(xié)議 Tinymesh。與 LoRa 和 Sigfox 不同，這種協(xié)議基于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)很多模塊部署在一個(gè)區(qū)域中并以“網(wǎng)狀”方式互聯(lián)時(shí)，它的使用效果最佳。由于有效載荷可通過多個(gè)可能路徑回到網(wǎng)關(guān)，因此這種協(xié)議有助于確保網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。Tinymesh 協(xié)議棧包括一系列多跳協(xié)議，讓器件能夠與嵌入式應(yīng)用層交換數(shù)據(jù)，并且在很多情況下不需要主機(jī) MCU。網(wǎng)絡(luò)包括端點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和路由器。任何支持 Tinymesh 的器件都可配置為執(zhí)行其中某一種功能。Tiny Mesh AS 提供的基于云的服務(wù)補(bǔ)充了 Tinymesh 建議。

通過將 LoRa 調(diào)制與專有協(xié)議結(jié)合在一起，Digital Six Labs 開發(fā)出了構(gòu)建完整物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施（包括網(wǎng)關(guān)和端點(diǎn)）的產(chǎn)品。其解決方案的核心就是 Whisker.IO Engine，它可以連接到傳感器和致動(dòng)器，并實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn) 40 英里的傳輸。

協(xié)議

適合某個(gè)特定應(yīng)用的 sub-GHz 技術(shù)取決于諸多因素，例如網(wǎng)絡(luò)的物理尺寸（或節(jié)點(diǎn)之間的距離）、要發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)量。

例如，用于監(jiān)控農(nóng)業(yè)環(huán)境條件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能每天只需發(fā)送幾次相對(duì)較小的有效載荷。而食品生產(chǎn)工廠則可能需要更頻繁地在較短的距離內(nèi)發(fā)送更多信息。

LoRaWAN 協(xié)議支持的有效載荷可根據(jù)數(shù)據(jù)速率變化，信息量從最低速率的 51 字節(jié)到最高速率（還會(huì)受到地區(qū)規(guī)范/限制的約束）的 222 字節(jié)不等。Digital Six Labs 的技術(shù)基于 LoRa，能夠在每條消息中發(fā)送最多 32 個(gè)字節(jié)，而基于 Sigfox 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能夠支持 12 字節(jié)的消息，發(fā)送速率為 100 位/秒。

建立連接

無線模塊在很大程度上應(yīng)該是“即插即用”的，雖然有些模塊確實(shí)支持在自身上運(yùn)行的應(yīng)用代碼，但它們無一例外都要與通過串行接口連接的主機(jī) MCU 配合使用。部分原因是為了保護(hù)模塊的預(yù)先認(rèn)證資質(zhì)，因?yàn)閷?duì)模塊的任何更改可能意味著需要再次經(jīng)過認(rèn)證流程。

本文所述的所有模塊都可由主機(jī) MCU 控制。例如，來自 Microchip 的 RN2483 LoRa 模塊兼容 LoRaWAN A 類協(xié)議，它是所有三種 LoRaWAN 協(xié)議中功耗最低的。這意味著端點(diǎn)啟動(dòng)有效載荷的上行鏈路，并設(shè)置接收有效載荷的時(shí)間。模塊的所有配置設(shè)置都通過三種類型的指令控制，如圖 3 所示。

圖 3：Microchip 的 RN2483 LoRa 模塊指令接口。

Mac 指令用于 A 類配置和控制指令。主機(jī) MCU 使用 ASCII 通過 UART 接口與模塊進(jìn)行通信。示例應(yīng)該包括：

mac tx

tx 指令啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸， 變量指定有效載荷已確認(rèn) (cnf) 還是未確認(rèn) (uncnf)， 表示端口（1 至 223）， 是十六進(jìn)制的有效載荷。傳輸之后，可能收到多種響應(yīng)，如果傳輸不成功，或者任何參數(shù)不正確，則會(huì)收到錯(cuò)誤消息。

RC1692HP-SIG Sigfox 模塊還可與配務(wù) UART 接口的主機(jī) MCU 一起使用，如圖 4a 所示。所有數(shù)據(jù)和配置都通過 UART 接口發(fā)送至模塊或從模塊接收。模塊的配置由主機(jī) MCU 啟動(dòng)和完成，如圖 4b 所示。

圖 4a：來自 Radiocrafts 的 RC1692HP-SIG Sigfox 模塊的 UART 接口。

圖 4b：此流程圖描述了 Radiocrafts 的 RC1692HP-SIG Sigfox 模塊的配置模式。

可使用 UART 接口將模塊置于休眠模式，或者自動(dòng)執(zhí)行此操作；但是，模塊還必須由主機(jī) MCU 通過同一個(gè)接口喚醒，處于休眠模式時(shí)，模塊不會(huì)接收任何消息。

該模塊含有溫度傳感器，可使用專用指令讀取，返回代表攝氏度數(shù)的單字節(jié)數(shù)據(jù)，精度為 ±2°C。

Whisker.IO Engine 模塊在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了傳感器，集成有兩個(gè) 10 位輸入，還有兩個(gè)數(shù)字輸入和一個(gè)數(shù)字輸出。UART 接口和 I2C 端口可用于擴(kuò)展功能，方法通過添加 ADC、DAC 以及配有串行端口的其他傳感器（例如 MEMS 傳感器）實(shí)現(xiàn)。

Digital Six Labs 表示，使用 Whisker.IO Engine 設(shè)置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最簡單方式是使用 Whisker Network Manager，但是，這些模塊也可以使用 AT 指令在更低的級(jí)別上進(jìn)行管理。

圖 5：使用來自 Digital Six Labs 的 Whisker.IO Engine 的應(yīng)用實(shí)例

圖 5 顯示了一個(gè)簡單應(yīng)用實(shí)例，可用于配置應(yīng)用的 AT 指令有：

ATTM01EE32092C

ATMA

ATTM12E5AA33

ATMA

ATTM73233CBA1

ATMA

配置之后，讀取模塊 EE32092C 的輸入需要以下指令：

ATTM01EE32092C

Response: OK

ATRA03

Response: OK

Response: RMRA03014ac0

第一條指令啟動(dòng)主控端和模塊 EE32092C 之間的通信，隨后的指令請(qǐng)求來自模擬通道 3 的讀數(shù)。第二個(gè)響應(yīng)包括數(shù)據(jù)值 0x014a，也就是十進(jìn)制數(shù) 330，它表示電池電壓為 3.3 V。

總結(jié)

使用預(yù)認(rèn)證型模塊開發(fā)在 sub-GHz 頻段中工作的無線傳感器模塊具有諸多優(yōu)勢(shì)。它消除了射頻領(lǐng)域的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并且提供了一個(gè)更加快速、經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品上市途徑。

隨著制造商不斷看到收集產(chǎn)品和環(huán)境數(shù)據(jù)的益處，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求也在日益增加。我們?cè)O(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方法現(xiàn)在變得前所未有的簡單，這要?dú)w功于預(yù)認(rèn)證型無線模塊的廣泛普及。