離和數(shù)據(jù)傳輸速率，成本，功耗，體積和外形。

本文將介紹的LoRa協(xié)議，其優(yōu)勢比其他協(xié)議，并討論多項(xiàng)產(chǎn)品和開發(fā)工具包，使工程師可以快速上手開發(fā)基于LoRa系統(tǒng)。

無線物聯(lián)網(wǎng)權(quán)衡考慮因素

每個(gè)無線技術(shù)既有長處和短處。標(biāo)準(zhǔn)的Wi-Fi，例如，可以傳輸大量高速數(shù)據(jù)的，但它有一個(gè)有限的范圍內(nèi)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)合高速和長距離，但它的耗電。

的IoT應(yīng)用，例如遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，城市照明控制，氣象監(jiān)測，和農(nóng)業(yè)，分別具有不同的組優(yōu)先級。被測量或在這些應(yīng)用中，如天氣條件，土壤水分含量，或街燈控制的數(shù)量時(shí)，所有的變化非常緩慢地在延長的時(shí)間周期。

此外，該傳感器節(jié)點(diǎn)往往英里開并且是電池供電的，所以最佳的無線協(xié)議必須能夠小數(shù)據(jù)分組在長距離上以最小的功耗有效地發(fā)送。該LORA協(xié)議被設(shè)計(jì)為恰好這些要求。

LORA技術(shù)概述

LORA是針對低功耗，廣域網(wǎng)（LPWAN）應(yīng)用程序。它擁有射程超過15公里，并達(dá)到1萬個(gè)節(jié)點(diǎn)的容量。低功耗和長范圍的組合限制了最大數(shù)據(jù)速率為每秒50千比特（Kbps）的。

勞拉是擁有和申請了專利專有技術(shù)Semtech公司公司，在ISM波段操作。頻率分配和用于ISM監(jiān)管要求因地區(qū)而異（圖1）。兩種最流行的頻率是用于北美，歐洲使用的868兆赫（MHz）和915兆赫。其他地區(qū)，尤其是亞洲，有不同的要求。 

圖1：LoRa規(guī)格為歐洲和美國，這兩個(gè)地區(qū)，其中ISM頻段被廣泛使用的比較。（圖像源：LoRa聯(lián)盟）

所述LoRa物理層使用擴(kuò)頻調(diào)制（SSM）（圖2）。SSM編碼具有更高的頻率序列，其故意散布在更寬的帶寬的基帶信號，降低了功耗，并且增加了抗電磁干擾的基本信號。

圖2：一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)通過擴(kuò)展信號帶寬快得多的碼序列相乘的輸入數(shù)據(jù)。（圖像源：升特公司）

基本信號的擴(kuò)頻因子（SF）是可變的并且代表一種折衷。對于給定的可用帶寬，較大的擴(kuò)展因數(shù)減小了比特率，而且還通過增加發(fā)送時(shí)間縮短電池的使用壽命。

A中規(guī)定的擴(kuò)頻因子（SF）和帶寬（BW）會給由下式定義的比特率：

洛拉允許六個(gè)擴(kuò)頻因子（SF7 – SF12）和三個(gè)不同的帶寬（125千赫茲，250千赫茲，500千赫）。允許的擴(kuò)頻因子和帶寬由區(qū)域性監(jiān)管機(jī)構(gòu)定義。北美，例如，指定了一個(gè)500 kHz帶寬和7至10中的擴(kuò)頻因子。

由于擴(kuò)頻技術(shù)，具有不同的數(shù)據(jù)傳輸速率的消息是正交的，并通過創(chuàng)建一套“虛擬”通道不相互干擾，提高了網(wǎng)關(guān)的容量。

的洛拉方案是基于SSM的變體稱為啁啾擴(kuò)頻（CSS）調(diào)制（圖3）。CSS具有“啁啾”，其本質(zhì)上是增加或隨時(shí)間降低寬帶頻率調(diào)制的正弦信號進(jìn)行編碼的數(shù)據(jù)。

圖3：一個(gè)CSS“upchirp”可以遵循頻率的多項(xiàng)式表達(dá)與時(shí)間，或顯示出如下所示的線性關(guān)系。（圖像來源：Wikipedia）

CSS是非常適合于低數(shù)據(jù)速率要求低的功率使用。

LoRaWAN和LORA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

所述LoRaWAN規(guī)范定義了LPWAN的媒體訪問控制（MAC）層。LoRaWAN是在LORA物理層的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，并且指定的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這些功能具有高度的影響力在幾個(gè)性能參數(shù)，包括：

• 一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電池壽命

• 網(wǎng)絡(luò)容量

• 網(wǎng)絡(luò)安全

• 所服務(wù)的應(yīng)用程序

所述LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使用星的星的拓?fù)洌渲忻總€(gè)端節(jié)點(diǎn)與多個(gè)網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通信進(jìn)行通信。

所述洛拉網(wǎng)絡(luò)具有四個(gè)元件（圖4）：

• 端節(jié)點(diǎn)收集的傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)送它的上游，并且從應(yīng)用服務(wù)器接收下行通信。端點(diǎn)設(shè)備使用單跳無線通信到一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)。

• 集中器/網(wǎng)關(guān)充當(dāng)透明網(wǎng)橋和端節(jié)點(diǎn)和上游服務(wù)器之間中繼雙向數(shù)據(jù)。

• 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器經(jīng)由安全的TCP / IP連接，無論是有線或無線連接到多個(gè)網(wǎng)關(guān); 消除了重復(fù)的消息; 決定哪個(gè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)結(jié)束節(jié)點(diǎn)消息作出反應(yīng); 并管理具有自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率（ADR）方案來最大化網(wǎng)絡(luò)能力和延伸端節(jié)點(diǎn)的電池壽命端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)速率。

• 應(yīng)用服務(wù)器收集并從端節(jié)點(diǎn)分析數(shù)據(jù)并確定端節(jié)點(diǎn)行動。

圖4：LoRa網(wǎng)絡(luò)具有四個(gè)主塊和兩個(gè)安全層。（圖像源：LoRa聯(lián)盟）

端點(diǎn)通信通常是雙向的，但LORA還支持功能，諸如軟件升級組播操作。許多競爭協(xié)議，諸如ZigBee，采用其中每個(gè)末端節(jié)點(diǎn)接收一個(gè)網(wǎng)狀拓?fù)洳⑶抑貍鲝牧硪欢斯?jié)點(diǎn)的信息。這種方法增加了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和小區(qū)大小，但增加的通信開銷增加了復(fù)雜性，降低了網(wǎng)絡(luò)容量，和增加了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率消耗。

LORA端節(jié)點(diǎn)分類

有三類終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備。這三類允許雙向通信，并可以通過網(wǎng)關(guān)發(fā)起上行到服務(wù)器。他們，當(dāng)他們接受傳入服務(wù)器消息不同。

甲LoRaWAN A類設(shè)備消耗最少的功率。一個(gè)端節(jié)點(diǎn)僅允許在兩個(gè)短接收可打開的用于上行鏈路傳輸狀態(tài)在短時(shí)間內(nèi)窗口從所述服務(wù)器通信。從在其他任何時(shí)間服務(wù)器的消息必須等到下一個(gè)預(yù)定上行時(shí)間。A級設(shè)備是異步的。端點(diǎn)開始每當(dāng)它有數(shù)據(jù)要發(fā)送的傳輸，然后等待預(yù)先設(shè)定的時(shí)間，并監(jiān)聽響應(yīng)。

一LORA B類設(shè)備提供了一個(gè)類的功能，同時(shí)也開啟在預(yù)定的時(shí)間額外的接收窗口。與網(wǎng)絡(luò)同步，B級節(jié)點(diǎn)接收到來自每128秒網(wǎng)關(guān)同步信標(biāo)時(shí)間。它被分配128秒讓當(dāng)端設(shè)備監(jiān)聽的服務(wù)器知道內(nèi)的時(shí)隙。

甲洛拉C類設(shè)備提供幾乎連續(xù)的開放接收窗口。窗戶在端點(diǎn)發(fā)送只被關(guān)閉。在需要接收的，而不是傳送的大量數(shù)據(jù)的C類設(shè)備是合適的。

LoRaWAN安全

強(qiáng)大的安全性是任何LPWAN設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵要素。LoRaWAN使用AES 128位加密和有安全的兩個(gè)獨(dú)立的層，網(wǎng)絡(luò)會話密鑰（NwkSKey）和一個(gè)應(yīng)用程序會話密鑰（AppSKey）（圖5）。

圖5：將數(shù)據(jù)從LORA端設(shè)備到應(yīng)用的流包括在開始和鏈端的加密和解密，因此，只有在端節(jié)點(diǎn)傳感器和應(yīng)用程序可以訪問明文數(shù)據(jù)。（圖像源：微晶片科技）

網(wǎng)絡(luò)安全層確保網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的真實(shí)性，并且應(yīng)用安全層確保了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商不具有訪問最終用戶的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)。

有兩種方法來部署的關(guān)鍵：

• 由個(gè)人應(yīng)用（ABP）的激活：在這里，LoRaWAN端設(shè)備可以是工廠對特定LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證信息編程。

• 過度的空氣激活（OTAA）：它使用一個(gè)應(yīng)用程序ID，一個(gè)唯一的設(shè)備ID，和以導(dǎo)出NwkSKey和AppSKey網(wǎng)絡(luò)分配的設(shè)備地址。此方法是優(yōu)選，因?yàn)槊荑€不預(yù)先確定，并且可以再生。

入門LORA發(fā)展

制造商為設(shè)計(jì)人員提供了一系列與從單個(gè)設(shè)備到完整的開發(fā)套件的集成度LORA選項(xiàng)。

升特公司的SX1279單芯片收發(fā)器洛拉可以涵蓋歐洲和北美ISM頻段（圖6）。根據(jù)不同的適用的法規(guī)，該裝置提供信道帶寬從7.8 kHz至500千赫和擴(kuò)頻范圍從6到12的因素。

圖6：升特SX1279提供了有效的位速率從18個(gè)比特/秒到37.5千比特/秒，更廣泛的比LoRaWAN允許。（圖像源：升特公司）

在模塊級，Microchip的，LORA IP的許可，提供RN2483為868 MHz的歐洲應(yīng)用和RN2903 LORA北美915 MHz的應(yīng)用程序（圖7）。兩個(gè)模塊包含具有LORA協(xié)議棧，兼容LORA無線電收發(fā)器，其提供所述設(shè)備與唯一的EUI-64的標(biāo)識符的串行EEPROM，和14的輸入/輸出應(yīng)用專用微控制器（I / O）引腳作為模擬或數(shù)字傳感器輸入，開關(guān)，或狀態(tài)指示器。

這些模塊被設(shè)計(jì)為A級的使用和實(shí)現(xiàn)具有集成18.5分貝毫瓦（dBm的）輸出高效率的功率放大器（14 dBm的在RN2483），加上-146 dBm的接收器靈敏度的遠(yuǎn)程操作。

圖7：一種典型的RN2903末端節(jié)點(diǎn)可包括輸入和輸出的功能。可選的ICSP端口可以用來更新固件。（圖像源：微晶片科技）

在板級，Microchip提供DM164139莫特，一類基于所述RN2903 LORA調(diào)制解調(diào)器甲端設(shè)備。微塵是提供用于RN2903的遠(yuǎn)程功能的方便演示平臺獨(dú)立的電池供電的節(jié)點(diǎn)。

微塵包括光傳感器和溫度傳感器。該數(shù)據(jù)傳輸可以通過按下按鈕來啟動，或在一個(gè)固定的時(shí)間表傳送。的LCD顯示信息，諸如連接狀態(tài)，傳感器值，或下行鏈路數(shù)據(jù)。

該板通過USB 2.0微-B連接器，提供訪問RN2903的UART接口連接到一臺計(jì)算機(jī)。所述UART允許通過高電平ASCII命令集快速設(shè)置和車載LoRaWAN協(xié)議棧的控制。

該RN2483調(diào)制解調(diào)器擁有自己的莫特板，DM164138。

最后，DV164140-2 LORA網(wǎng)絡(luò)評估套件，還從Microchip的，包括兩個(gè)RN2903莫特板和一個(gè)網(wǎng)關(guān)板（圖8）。這很容易讓設(shè)計(jì)人員能夠評估一個(gè)完整的915 MHz的LORA系統(tǒng)的能力。甲姐姐試劑盒，所述DV164140-1，占地面積868級兆赫的應(yīng)用程序。

圖8：Microchip的DV164140-2（915MHz的）和DV164140-1（868兆赫）洛拉評估套件包括兩個(gè)莫特板，網(wǎng)關(guān)芯板，和無線電板（左到右）。（圖像源：微晶片科技）

網(wǎng)關(guān)板由一個(gè)核心板和一個(gè)附加的無線電板。它包括一個(gè)液晶屏，配置數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)連接，天線，以及全頻段捕獲的無線電的SD卡。

通過提供電力和通信的USB線纜網(wǎng)關(guān)板接口連接到PC主機(jī)。此外，以太網(wǎng)電纜被連接在核心板和用于在網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間的通信的計(jì)算機(jī)的局域網(wǎng)（LAN）連接器之間。

微塵開發(fā)板通過其自己的USB接口連接到主機(jī)。

網(wǎng)絡(luò)評估工具包軟件

該評估套件軟件包括Microchip的LORA開發(fā)套件，它可以不受Digi-Key的DV164140-2下載的產(chǎn)品頁面。適用于Mac，Windows或Linux機(jī)器，該套件建立在主機(jī)操作系統(tǒng)下運(yùn)行而無需外部網(wǎng)絡(luò)連接的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的本地版本。該開發(fā)套件創(chuàng)建一個(gè)自包含的示范網(wǎng)，使測試LORA網(wǎng)絡(luò)方便快捷。

在內(nèi)部，LORA開發(fā)套件利用碼頭工人，一個(gè)開源開發(fā)平臺上運(yùn)行的應(yīng)用程序集裝箱的。泊塢窗允許Oracle虛擬機(jī)（VM）在Windows，Mac或Linux環(huán)境（圖9）進(jìn)行操作。VM主機(jī)，在隨后運(yùn)行LORA評估服務(wù)器的泊塢引擎。評估服務(wù)器通過以太網(wǎng)端口，數(shù)據(jù)中繼到通過LORA鏈接RN模塊網(wǎng)關(guān)板通信。

圖9：LoRa網(wǎng)絡(luò)評估板實(shí)現(xiàn)該主機(jī)計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)下運(yùn)行的評價(jià)LoRa服務(wù)器。（圖像源：微晶片科技）

該LORA開發(fā)工具Java運(yùn)行時(shí)環(huán)境（JRE），一套軟件工具，允許開發(fā)Java應(yīng)用程序中運(yùn)行。此程序可允許用戶執(zhí)行一系列任務(wù)，如：掃描網(wǎng)絡(luò)以新終端設(shè)備; 授予他們訪問網(wǎng)絡(luò); 創(chuàng)建一個(gè)新的應(yīng)用服務(wù)器; 并配置網(wǎng)絡(luò)（圖10）。

圖10：LORA開發(fā)工具，可以從評估套件的產(chǎn)品頁面下載控制許多LORA評估套件的功能，包括網(wǎng)絡(luò)配置。（圖像源：微晶片科技）

結(jié)論

LoRa協(xié)議滿足的一個(gè)重要的IoT需要遠(yuǎn)距離，低功耗，低數(shù)據(jù)速率的通信。本文討論的LORA物理層和LoRaWAN規(guī)范，使這成為可能，并強(qiáng)調(diào)各種設(shè)備和試劑盒，可幫助設(shè)計(jì)人員迅速在一系列目標(biāo)應(yīng)用的評估Lora的性能。