在考慮物聯網 （IoT） 傳感器的無線連接時，開發人員通常首先想到的是 Wi-Fi、Zigbee 或藍牙。但是現實情況是，應用常常要求更低的功耗、更長的覆蓋距離、不同的使用模式和更低的數據速率，超出了這些技術所能提供的范圍。設計人員與其從頭開始自己設計無線接口，承受相關的成本、潛在的延遲和返工問題，不如使用現成模塊來實現各種相對較新的低功耗廣域網 （LPWAN）。

　　這些 LPWAN 包括 Sigfox、LoRaWAN 和較新的 Radiocrafts 工業物聯網 （RIIoT），它們全都旨在連接相對簡單的工作在中采樣率的傳感器，并且能長距離（最長超過 50 km）發送短促而稀少的突發數據。此類應用通常會規定非常嚴格的功耗約束條件，目的是最大限度地延長位于偏遠或不便場所的傳感器的電池壽命。理想情況下，放置在此類場所的傳感器依賴紐扣電池或 AAA 電池將能可靠地工作長達 10 年。

　　本文將討論典型遠程物聯網感測的設計要求以及 Sigfox、LoRaWAN 和 RIIoT 的特性。接著會介紹 Pi Supply、Sigfox 和 Radiocrafts 提供的合適模塊，并說明如何使用這些模塊。

　　LPWAN 特性

　　LPWAN 的窄帶寬是其低功耗工作的秘訣之一（圖 1）。根據信息理論的基本原則，信號帶寬和信噪比 （SNR） 與信息傳輸的錯誤率密切相關。SNR 越大或帶寬越窄，錯誤率越低。

圖 1：LPWAN 的窄帶寬使其能夠以更低功耗在更長距離上工作。（圖片來源：Peter R. Egli，通過 Slideshare 獲得）

　　利用這種關系，LPWAN 以低輸出功率實現高度可靠的長距離信息傳輸。通過采用相對較低的數據速率，LPWAN 系統還降低了信號帶寬要求。其結果是 LPWAN 系統可以實現數千米的通信距離。

　　LPWAN 系統的第二個關鍵特性是，它使用國際免許可的工業、科學和醫學 （ISM） 頻帶 （886 - 906 MHz） 中的亞千兆赫茲 （GHz） 頻率。根據公式 1，在給定發射功率下，以這些頻率（波長更長）工作可減少自由空間路徑損耗，提升有效覆蓋范圍：

公式 1

　　其中：

　　d = 距離

　　λ = 波長

　　在較低頻率下，障礙物（例如墻壁和建筑物）吸收的射頻 （RF） 能量較少，使得 LPWAN 系統在城市環境中具有出色的穿透能力。

　　基于 ISM 的設計不需要許可證，但仍需要遵守關于 ISM 頻段工作的全球電源和電磁兼容性法規。

　　LPWAN 示例

　　雖然有多種 LPWAN 方案可供選擇，但對于尋求快速開發基于傳感器的物聯網應用的開發人員而言，LoRaWAN、Sigfox 和最近推出的 RIIoT 是三種明智的選擇方案。每一種方案都有預配置的無線電和傳感器接口模塊支持，可供開發人員輕松導入其設計中，另外還有開發套件幫助快速完成設置及應用開發。

　　LoRaWAN 網絡基于 LoRa 聯盟所管理的開放標準以及 Semtech Corp 擁有并授權的專有擴頻無線電技術。該網絡采用星形拓撲結構，允許單個節點與多個網關進行通信，從而實現漫游。它支持網關和節點之間的雙向通信，讓網關可將消息從一個節點中繼到另一個節點，以及傳送到基于云的服務器。

　　LoRaWAN 可實現 300 bps 到 50 kbps 的數據速率，可處理最多 243 字節的消息有效載荷，并使用 125 kHz 或 250 kHz 的信號帶寬。它支持自適應數據速率，以便在變化的條件下保持信號可靠性，并且在城市環境中實現 5 km 的覆蓋范圍，視距 （LoS） 可達 20 km。用戶可以開發節點并接入商業運營網絡，或者利用自己的網關和回程網絡建立專用網絡。

　　Sigfox 是由 Sigfox 開發和管理的專有協議，該公司將技術授權給芯片開發人員，并讓用戶可以通過全球網關基站訪問其網絡。Sigfox 可在 100 赫茲 （Hz） 信號帶寬下將數據速率保持在 600 bps，從而能夠實現最大的覆蓋范圍。在無障礙視線條件下可以達到 40 km，在城市環境下可以達到 10 km。其輕量級協議將上行鏈路消息包限制為 26 字節（最多 12 字節的用戶數據），因此發射器僅短暫通電。節點每天只能發送 140 條消息，網關在收到節點的上行鏈路消息之后，每天只能向節點發送下行鏈路消息 4 次。因此，節點無線電處于活動狀態的時間非常短，大部分時間都處于休眠模式以盡量降低功耗。

　　雖然 LPWAN 無線電屬于低功耗類型，但在現實世界中，低功耗是一個相對意義上的術語。例如，Radiocrafts 的 Sigfox 模塊產品有兩個不同的功耗選擇。RC1692HP-SSM 高功耗傳感器接口模塊通過 UART 連接與主機微控制器通信，并提供 SPI、I2C、模擬和 GPIO 端口用于連接傳感器。該模塊采用 2.8 至 3.6 V 電源供電。

　　在休眠模式下，模塊消耗 1 μA 電流。在連接了傳感器的活動模式下，空閑時消耗的電流小于 20 μA，發射時消耗的電流小于 292 mA。

　　較低功耗的 RC1682-SSM 模塊面向歐洲市場，消耗的電流要少得多，發射時僅為 58 mA。

　　RIIoT 是供開發人員考慮的最新 LPWAN 方案之一。它建立在 IEEE 802.15.4g/e 物理層 （PHY） 標準之上，此標準最初是為智能計量和過程控制應用而開發的。它增加了射頻和媒體訪問控制 （MAC） 特性，支持低功耗、長距離和高級安全性。通信是通過星形網絡雙向進行，提供小于 15 ms 的可預測網絡延遲，以支持近實時控制應用。

　　RIIoT 有兩種數據速率（5 kbps 和 50 kbps）和兩種功耗級別，以便開發人員可以優化并權衡電池壽命、數據速率和覆蓋范圍，從而最好地滿足需求。在低功耗、高數據速率的情況下，RIIoT 網絡可以實現 5 km 無障礙視距和 200 m 城市覆蓋范圍，突發傳輸時間為 3.5 毫秒 （ms）。在更高輸出功率和更低數據速率下，可實現 60 km 無障礙視距和 2 km 城市覆蓋范圍，突發傳輸時間為 45 ms。典型葉節點的休眠電流為 0.7 微安 （μA）。

　　構建 RIIoT 網絡涉及三個主要元素：節點、網關和網絡控制器軟件。單個葉節點使用像 Radiocrafts RC1880CEF-SPR 這樣的模塊，其中集成了模數轉換器 （ADC） 以及 GPIO、I2C、SPI 和 UART 接口。這些節點可與使用了兼容 RC1880CEF-GPR 模塊或 USB 適配器的 Linux PC 進行無線通信。其中帶有 RC1880CEF-GPR 模塊的電路板可插入 PC 擴展槽，USB 適配器則通過 PC 的 USB 端口連接。

　　要將 PC 完全變成 RIIoT 網關，開發人員須安裝第三個元件——RIIoT 網絡控制器中間件。該軟件不僅管理網絡（包括對葉節點的無線固件更新），而且還將數據和命令轉換為 JSON 對象，以簡化與云端的連接。

圖 3：完整 RIIoT 網絡包含葉節點、托管網關模塊的 Linux PC 和控制器軟件。（圖片來源：Radiocrafts）

　　RIIoT 在基礎標準 IEEE202.15.4 之上增加的一項關鍵內容是能夠對數據傳輸實現端到端安全性。Sigfox 不支持加密，LoRaWAN 支持在節點與網關之間的無線鏈路中進行加密，而 RIIoT 則進一步提高了安全性。

　　借助 RIIoT，每個節點都有唯一的安全密鑰，使得從節點一直到與之交互的云端應用，消息始終處于加密狀態。網關只管傳送加密消息，而不需要訪問其內容。

　　使用模塊和套件加快設計：RIIoT

　　對于希望實現 LPWAN 物聯網的開發人員來說，可以利用針對不同網絡提供的眾多預配置射頻和傳感器接口模塊之一，來加快設計工作。此類模塊已經解決了射頻設計、功耗最小化和協議實現方面的所有棘手問題，因而基本上是可以直接插入主機處理器的通信設備。此外，這些模塊已經過預先認證，符合 ISM 頻段的法規要求。雖然開發人員仍會需要對其最終產品進行認證，但由于無線電元件已通過驗證，最終認證將變得更加容易和確定。

　　這些模塊還通過提供內置傳感器接口和控制邏輯來幫助加快設計。例如，Radiocrafts 的 RC1880CEF-SPR 具有用于 ADC 模擬輸入的接口，用于開關的 GPIO，用于兼容傳感器的 I2C 和 SPI，以及用于連接到主機處理器的 UART（圖 4）。開發人員可以直接將此模塊導入設計中，解決了系統的無線通信和傳感器接口兩方面的需求。該模塊可進行編程以自行處理傳感器的設置、控制和采樣，從而簡化應用處理器的任務。傳感器和通信看起來就像是存儲器對應用代碼的讀寫操作。

圖 4：LPWAN 系統模塊可以同時包含無線電和傳感器接口，因而更易于整合到物聯網傳感器系統中。（圖片來源：Radiocrafts）

　　開發套件（例如 RC1880-RIIOT-DK）可幫助開發人員快速建立完整的端到端 RIIoT 網絡以進行實驗。該套件包括用于構建完整網絡的葉節點、網關模塊和系統軟件。它還包括用 C 語言對葉節點進行編程的軟件工具，以便處理所連的傳感器。

　　用于 LoRaWAN 和 Sigfox 的模塊與開發套件

　　LoRaWAN 還有現成的預配置模塊可用來輕松實現物聯網系統。Pi Supply 的 PIS-1019 RAK811 LoRaWAN 模塊就是一個很好的例子。

　　此器件為主機微控制器提供了串行端口，以便主機微控制器使用標準 AT 命令控制該模塊。為了幫助建立一個完整的網絡，PIS-1019 的 PIS-1037 開發套件包含了網關集中器模塊，該模塊可以將主機 PCIe 控制器變成網關/路由器接入點。

　　Radiocrafts 也有完整的 Sigfox 開發套件，例如用于 RC1692HP-SSM 射頻模塊的 RC1692HP-SSM-DK 套件和用于 RC1682-SSM 射頻模塊的 RC-1682-SSM DK。這些套件開箱即用，支持 Sigfox 無線電模塊測試和開發。這些套件帶有溫度和濕度傳感器、加速度計以及霍爾效應傳感器。

　　但是，使用 Sigfox 的開發人員無法選擇創建自己的網絡。Sigfox 負責系統網關與回程的運營和維護，用戶需要支付使用費。不過，這些模塊配有預編碼的 ID 和加密密鑰，一旦注冊，只需極少量的設置工作就可以開始將數據傳送到 Sigfox 云。

　　總結

　　對于希望將低數據速率傳感器以低功耗方式遠距離連接到物聯網的設計人員而言，RIIoT、LoRaWAN 和 Sigfox 等 LPWAN 解決方案是 Wi-Fi、Zigbee 或許可蜂窩網絡的出色替代方案。每種方案都有自己的優勢，但所有方案都能解決從智能電表到智能農業的各種應用。