Microchip的RN2483 LoRa模块设计

Duke 2018-06-26 09:25 次阅读

为了让我们的生活方式更具效率,工业化世界正变得越来越自动化。除了具有经济上的意义,提升效率还会对环境产生有利影响,因为我们消耗的自然资源更少,产生污染物也更少。

自动化的基础就是闭环控制系统,它需要数据形式的输入。这种数据是通过使用数量巨大的传感器监控相关过程产生的。在物联网时代,任何事物都是潜在的数据源。数据要通过连接来进入控制回路。互联世界提供了丰富的有价值信息。

可以说,功能最多样的连接媒介就是无线连接,因为它除了一对位于相互传输范围内的收发器之外,只需要很少的基础设施,甚至不需要任何基础设施。国际认可的授权限制为专注于免许可频段带宽的解决方案创造了市场。在 2.4 GHz 频段中工作的 Wi-Fi蓝牙或许是其中最流行的技术。

但是,对于长距离工作的传感器网络等应用而言,Sub-GHz 技术占据了绝对主导地位。与基于 2.4 GHz 频段的技术相比,Sub-GHz 技术的传输范围更大,但随之带来的弊端是数据速率受到影响,这通常不是传感器网络的问题。图 1 显示了 Sub-GHz 技术在无线频谱中所处的位置。

物联网中所应用无线技术图片

图 1:物联网中所应用无线技术之比较。

预认证型解决方案

对于很多工程师而言,射频仍然是一个极具挑战性的设计领域,可能需要多年经验才能胜任。高度集成的无线解决方案的普及在这方面为我们提供了一定帮助,特别是在 ISM(工业、科学和医疗)免许可频段技术领域,例如 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 等解决方案。一般来说,任何无线产品,即便是工作在 ISM 频率的产品,也必须遵守任何所分销地区的相关法规要求。通常需要让产品通过由经过认可和授权的测试实验室执行的资质认可和认证测试。提供面向无线应用的集成电路的大多数半导体制造商都能在这方面对我们有所帮助,但对于 OEM 而言,这仍然是一个必需的流程,可能耗费大量成本。

进行芯片级别开发的一种常见替代方法就是使用预认证型模块。在这种情况下,绝大多数设计工作已由制造商完成,包括合规和认证流程。但要注意的是,只有在与认证过程中采用的相同工作条件下(天线选择、调制方案)使用时,认证才适用于模块,这一点非常重要。虽然很可能还需要对最终产品进行进一步测试,但由于模块已经过预先认证,测试的成本、时间和工作量得以显著降低。

预认证型模块的使用,可以让我们在许多应用(包括长距离传感器网络)中添加无线连接变得尽可能简单。为了支持这个特殊应用领域,近年有多种无线技术相继问世,包括 LoRaWAN 等行业标准,以及 SigfoxTinymesh 和 Whisker.io 等专利技术。

LoRa 模块的实例包括来自 Microchip 的 RN2483 和来自 Murata Electronics North America 的 CMWX1ZZABZ-078。RC1692HP-SIG 是来自 Radiocrafts AS 公司的 Sigfox 模块,该公司还提供采用其专有协议 Tinymesh 的 RC1191HP-TM 模块。专有解决方案的另一个实例是来自 Digital Six Labs 的 Whisker.IO Engine。在下文中,我们将更详细地介绍这些模块及其协议,并探讨如何在长距离无线传感器网络中使用它们。

低功耗、宽范围

长距离(若干公里)工作的各种低功耗无线技术的兴起,让行业获得了所需的动力而开始建立 LoRa 联盟并制订 LoRaWAN 协议。LoRa 使用星型网络拓扑,旨在让制造商能够使用可互操作的解决方案,更加简便地创建自己的网络,而无需依赖于网络提供商。它还提供了私有网络,在这种网络中网关通常能够与蜂窝基站共存,将空闲容量用于回程。

Microchip 的 RN2483 模块旨在用于网络中的终端设备,例如传感器节点和致动器。该模块的传输距离超过 15 km 公里,电池寿命达到 10 年以上,通过 R&TTE 认证,可在欧洲使用。该模块提供 14 个通用 I/O,能够与很多传感器和致动器连接,而集成 UART 端口则提供与主机微控制器的接口。该模块能够在 433 MHz 或 868 MHz 的频率下工作,由主机 MCU 使用通过 UART 接口发送的 ASCII 指令配置(图 2 显示了该模块的框图)。

来自 Microchip 的 RN2483 LoRa 模块框图

图 2:来自 Microchip 的 RN2483 LoRa 模块。

CMWX1ZZABZ LoRa 模块将来自 Semtech 的 SX1276 收发器 与来自 STMicroelectronics (ST) 的 STM32L0 系列 MCU 集成在一起,运行 LoRa 协议。该预认证型模块同时符合 868 MHz 和 915 MHz 传输标准。可以使用 ST 的 LoRaWAN SDK,将应用代码添加到 MCU。用于 STM32L0 的 Keil MDK 也支持该模块。

与 LoRaWAN 不同,Sigfox 是一种在由 Sigfox 合作伙伴在本地运营的私有网络上运行的专有协议。这种协议的独特之处在于不再需要协商连接。节点只传输有效载荷,用户通过云连接获取数据。在这方面,它提供了将传感器连接到互联网的最简单方法。RC1692HP-SIG 是来自 Radiocrafts 的预认证型 Sigfox 模块,在 902 - 928 MHz 频段中工作,支持两种网络模式:仅上行链路和上行链路/下行链路。前者在只提供数据的传感器模式下使用,而后者可用于在节点中包括某种形式的致动。

在该频谱的 sub-GHz 部分,该专有协议仍然具有潜力,在这个频段,它们在传统上作用一直很强,甚至在物联网问世之前也是如此。同样来自 Radiocrafts 的 RC1191HP-TM 也实现了其自已的专有协议 Tinymesh。与 LoRa 和 Sigfox 不同,这种协议基于网状网络,当很多模块部署在一个区域中并以“网状”方式互联时,它的使用效果最佳。由于有效载荷可通过多个可能路径回到网关,因此这种协议有助于确保网络稳定性。Tinymesh 协议栈包括一系列多跳协议,让器件能够与嵌入式应用层交换数据,并且在很多情况下不需要主机 MCU。网络包括端点、网关和路由器。任何支持 Tinymesh 的器件都可配置为执行其中某一种功能。Tiny Mesh AS 提供的基于云的服务补充了 Tinymesh 建议。

通过将 LoRa 调制与专有协议结合在一起,Digital Six Labs 开发出了构建完整物联网基础设施(包括网关和端点)的产品。其解决方案的核心就是 Whisker.IO Engine,它可以连接到传感器和致动器,并实现最远 40 英里的传输。

协议

适合某个特定应用的 sub-GHz 技术取决于诸多因素,例如网络的物理尺寸(或节点之间的距离)、要发送/接收的数据量。

例如,用于监控农业环境条件的无线传感器网络可能每天只需发送几次相对较小的有效载荷。而食品生产工厂则可能需要更频繁地在较短的距离内发送更多信息。

LoRaWAN 协议支持的有效载荷可根据数据速率变化,信息量从最低速率的 51 字节到最高速率(还会受到地区规范/限制的约束)的 222 字节不等。Digital Six Labs 的技术基于 LoRa,能够在每条消息中发送最多 32 个字节,而基于 Sigfox 协议的网络能够支持 12 字节的消息,发送速率为 100 位/秒。

建立连接

无线模块在很大程度上应该是“即插即用”的,虽然有些模块确实支持在自身上运行的应用代码,但它们无一例外都要与通过串行接口连接的主机 MCU 配合使用。部分原因是为了保护模块的预先认证资质,因为对模块的任何更改可能意味着需要再次经过认证流程。

本文所述的所有模块都可由主机 MCU 控制。例如,来自 Microchip 的 RN2483 LoRa 模块兼容 LoRaWAN A 类协议,它是所有三种 LoRaWAN 协议中功耗最低的。这意味着端点启动有效载荷的上行链路,并设置接收有效载荷的时间。模块的所有配置设置都通过三种类型的指令控制,如图 3 所示。

Microchip 的 RN2483 LoRa 模块指令接口图片

图 3:Microchip 的 RN2483 LoRa 模块指令接口。

Mac 指令用于 A 类配置和控制指令。主机 MCU 使用 ASCII 通过 UART 接口与模块进行通信。示例应该包括:

mac tx

tx 指令启动数据传输, 变量指定有效载荷已确认 (cnf) 还是未确认 (uncnf), 表示端口(1 至 223), 是十六进制的有效载荷。传输之后,可能收到多种响应,如果传输不成功,或者任何参数不正确,则会收到错误消息。

RC1692HP-SIG Sigfox 模块还可与配务 UART 接口的主机 MCU 一起使用,如图 4a 所示。所有数据和配置都通过 UART 接口发送至模块或从模块接收。模块的配置由主机 MCU 启动和完成,如图 4b 所示。

来自 Radiocrafts 的 RC1692HP-SIG Sigfox 模块的 UART 接口框图

图 4a:来自 Radiocrafts 的 RC1692HP-SIG Sigfox 模块的 UART 接口。

来自 Radiocrafts 的 RC1692HP-SIG Sigfox 模块的配置模式流程图

图 4b:此流程图描述了 Radiocrafts 的 RC1692HP-SIG Sigfox 模块的配置模式。

可使用 UART 接口将模块置于休眠模式,或者自动执行此操作;但是,模块还必须由主机 MCU 通过同一个接口唤醒,处于休眠模式时,模块不会接收任何消息。

该模块含有温度传感器,可使用专用指令读取,返回代表摄氏度数的单字节数据,精度为 ±2°C。

Whisker.IO Engine 模块在设计时考虑到了传感器,集成有两个 10 位输入,还有两个数字输入和一个数字输出。UART 接口和 I2C 端口可用于扩展功能,方法通过添加 ADCDAC 以及配有串行端口的其他传感器(例如 MEMS 传感器)实现。

Digital Six Labs 表示,使用 Whisker.IO Engine 设置无线传感器网络的最简单方式是使用 Whisker Network Manager,但是,这些模块也可以使用 AT 指令在更低的级别上进行管理。

使用来自 Digital Six Labs 的 Whisker.IO Engine 的应用实例

图 5:使用来自 Digital Six Labs 的 Whisker.IO Engine 的应用实例

图 5 显示了一个简单应用实例,可用于配置应用的 AT 指令有:

ATTM01EE32092C

ATMA

ATTM12E5AA33

ATMA

ATTM73233CBA1

ATMA

配置之后,读取模块 EE32092C 的输入需要以下指令:

ATTM01EE32092C

            Response: OK

ATRA03

            Response: OK

            Response: RMRA03014ac0

第一条指令启动主控端和模块 EE32092C 之间的通信,随后的指令请求来自模拟通道 3 的读数。第二个响应包括数据值 0x014a,也就是十进制数 330,它表示电池电压为 3.3 V。

总结

使用预认证型模块开发在 sub-GHz 频段中工作的无线传感器模块具有诸多优势。它消除了射频领域的设计挑战,并且提供了一个更加快速、经济的产品上市途径。

随着制造商不断看到收集产品和环境数据的益处,对无线传感器网络的需求也在日益增加。我们设计、实现和管理无线传感器网络的方法现在变得前所未有的简单,这要归功于预认证型无线模块的广泛普及。

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