透過端對端入門套件加速進行 LoRaWAN IoT 專案

從農業、採礦到智慧型城市的遠端監測與控制應用，物聯網 (IoT) 感測器和致動器網路的設計人員都需要一款安全、穩定、維護少、相對容易部署的遠距無線介面。LoRaWAN 便是此類應用的絕佳選項，其擁有高達 15 km 的偏鄉直視性連線範圍，以及高達 5 km 的都會區域連線範圍，而且所用終端裝置的電池可持續運作長達 10 年之久。

儘管 LoRaWAN 是成熟的低功耗廣域網路 (LPWAN) 技術，開發人員總是需要找出簡化部署並連接至雲端的方法。

LoRaWAN IoT 專案的新手工程師要面臨的挑戰，除了要處理無線終端裝置，還要解決閘道器和雲端 IoT 平台介面連接的複雜性問題。只要有廠商入門套件，這項工作就會變得容易多，因為這些套件包含打造和操作原型的所有必要元件。

本文將說明 LoRaWAN 並解釋該技術如何透過建立 LPWAN，將感測器資料轉送至雲端，來補足短距無線感測器網路的不足。接著說明如何使用 Digi 的 XON-9-L1-KIT-001 入門套件 (包括多重感測器終端裝置、多重通道閘道器及裝置至雲端 IoT 平台)，並根據工業平台來設計、開發並配置 LoRaWAN IoT 解決方案。

什麼是 LoRa 和 LoRaWAN？

LoRaWAN 是適用於 IoT 裝置的 LPWAN 技術，特性包括數十公里的覆蓋範圍、低傳輸量 (250 bit/s 至 50 Kbit/s，實際需視載波頻率而定) 和極低的功耗 (電池續航力可長達十年，實際需視應用而定)。表 1 顯示 LoRaWAN 與其他 IoT 技術的比較。

表 1：LoRaWAN 是一種 LPWAN IoT 無線協定，其特性適合低傳輸量遠距離運作。該表顯示此種技術與其他無線 IoT 技術的比較結果。(圖片來源：Semtech)

LoRa 規格定義支援 LoRaWAN 運作的實體層 (PHY) 和調變技術。協定堆疊的媒體存取控制器 (MAC) 層是以 LoRaWAN 標準來訂定其規格 (圖 1)。

圖 1：LoRa 實體層 (PHY) 和調變技術、LoRaWAN MAC，以及應用層，共同構成 LoRaWAN 協定堆疊。(圖片來源：Semtech)

此技術範圍的關鍵點，在於使用形式已調校的直接序列展頻 (DSSS) 調變。DSSS 的訊號是透過比原始資訊頻寬還要更廣的頻寬來傳播，因此更不易受到干擾，同時也擴大覆蓋範圍。DSSS 的缺點是需要高度準確 (且昂貴) 的參考時脈。LoRa 線性展頻 (CSS) 技術提供免除時脈的低成本和低功耗的 DSSS 替代方案。CSS 藉著產生頻率不斷變化的啁啾訊號將訊號展頻 (圖 2)。

圖 2：LoRa CSS 技術藉由產生頻率不斷變化的啁啾訊號將訊號展頻。此技術免除了 DSSS 使用昂貴參考時脈的需要。(圖片來源：Semtech)

使用 CSS 後，發射器和接收器之間的時間與頻率偏移相等，這進一步降低接收器設計的複雜性。LoRa 調變也包含可變錯誤修正機制，能改善發射訊號的穩定性，進一步擴大覆蓋範圍。其結果便是鏈路預算發射 (Tx) 功率和以 dBm 為單位大約 154 dBm 的接收器 (Rx) 靈敏度，可支援單一閘道器或基地台來涵蓋整個城市範圍。

在北美洲，LoRaWAN 使用 902 至 928 MHz 的工業、科學和醫療 (ISM) 頻譜分配。此無線協定定義了頻寬為 902.3 至 914.9 MHz (增幅為 200 kHz) 的 64 x 125 kHz 上行鏈路通道。另外還有頻寬為 903 MHz 至 914.9 MHz (增幅為 1.6 MHz) 的額外八個 500 kHz 上行鏈路通道。八個下行鏈路寬 500 kHz，起始值為 923.3 MHz 至 927.5 MHz。北美洲最大的 TX 功率是 30 dBm，但對多數應用來說，20 dBm TX 功率已足夠了。在 U.S. FCC 規範下，沒有工作週期限制，不過有每通道 400 ms 的最大停留時間。

網狀網路這個技術可藉著在節點間轉傳訊息來增加範圍，進而達到網路邊緣，但會提高複雜度、降低傳輸量並縮短電池續航力。與其使用網狀網路，LoRaWAN 採用的星形拓撲，讓每個 (遠距) 節點直接連至閘道器。節點與特定閘道器沒有關連。反之，節點發射的資料通常是由多個閘道器接收。每個閘道器接著把接收到的封包，透過某種形式的回程 (通常是蜂巢式網路、乙太網路、衛星和 Wi-Fi)，從終端節點轉傳到雲端型網路伺服器 (圖 3)。

圖 3：LoRaWAN 採用的星形拓撲能讓每個終端裝置直接連至一個或多個閘道器。每個閘道器接著透過回程連線，將資訊轉寄到雲端型網路伺服器。(圖片來源：Semtech)

為了讓遠距星形網路成為可行方案，閘道器必須能夠從大量的節點接收訊息。LoRaWAN 為了具備此高傳輸量，採用調適性數據傳輸率，並使用能在多個通道上接收同時產生之訊息的閘道器。單一的八通道閘道器可支援每日數十萬個訊息。假設每個終端裝置一天傳送十個訊息，此類閘道器可支援大約 10,000 個裝置。若是需要更多傳輸量，網路可新增額外的閘道器。

LPWAN 入門套件可快速進行原型開發

LPWAN 技術非常複雜，對經驗不足的工程師可能是個挑戰。開發人員不只要用安全且穩固的連線來設定無線終端裝置，還要將其介面連接到閘道器，將其作為網路的一部分進行佈建，然後連線到雲端 IoT 平台。

使用 Digi 的 XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN 入門套件等訂製的入門套件，便能更容易地打造端對端 LoRaWAN IoT 解決方案 (圖 4)。有了此入門套件，工程師便能快速熟悉程序中的每個步驟，並能知道可快速接續下一個階段。因此，即使不是專家，也能快速開發完整 LoRaWAN IoT 解決方案的原型。

圖 4：XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN 入門套件包含了開發網路連線原型所需的一切，包括 HXG3000 乙太網路閘道器、上行鏈路和下行鏈路、用戶端擴充板、天線、電源供應器和編程介面。(圖片來源：Digi)

LoRa 具備的裝置等級能在網路下行鏈路通訊延遲和電池壽命的兩難之間取得折衷方案；Digi 入門套件支援 LoRaWAN A 級 (最低功率、雙向通訊終端裝置) 和 C 級 (最低延遲、終端裝置接收器常開、雙向通訊終端裝置)。

入門套件提供了快速又安全地設定 LoRaWAN 原型所需的一切。特別是裡面包含上行／下行鏈路、擴充板或含 LoRaWAN 模組的「用戶端擴充板」、LED、數位輸入、多個溫度感測器、Digi 8 通道 LoRaWAN HXG3000 乙太網路閘道器、嵌入式開發人員應用程式開發介面 (API)，以及 30 天免費試用帳號，以使用具有「立即掃描」(scan-and-go) 行動佈建能力的裝置至雲端平台。

HXG3000 閘道器可透過 LoRaWAN 提供了遠距非直視性雙向通訊，每日可處理多達 150 萬則訊息。本產品包含 1.7 dBm 全向性無線電、高達 27 dBm Tx 的功率，以及 -138 dBm Rx 靈敏度。工作頻寬在美國免授權的 902 至 928 MHz 範圍內。此裝置可用 AC 電源來供電或透過乙太網路供電 (PoE)。此外，也提供乙太網路和 LTE Cat M1 回程型號。

Digi 的 LoRaWAN 用戶端擴充板是入門套件的一部分，可支援想進行 LoRaWAN 感測器原型設計及開發的工程師。此套件可提供與 STMicroelectronics 的 Nucleo (例如 NUCLEO-L053R8) 和 Arduino 的 ARM Keil® Cortex®-M 級特定相容微控制器開發板連線的能力，以進行 LoRaWAN 用戶端連線。除了 Arduino 可堆疊連接器，用戶端擴充板還具備低功率熱敏電阻溫度感測器、數位輸入滑桿開關，以及數位控制的紅綠藍 (RGB) LED。此板具備 U.FL 連接器，而相關的天線也隨附在套件中。另外，此板還結合 LoRaWAN 模組，可在美國免授權的 902 至 928 MHz 頻寬內運作。TX 功率為 14 至 20 dBm (圖 5)。

圖 5：XON-9-L1-KIT-001 用戶端擴充板，內有 LoRaWAN 模組，可安裝在 STMicroelectronics 的 Nucleo (此處所示) 或 Arduino 開發板上。(圖片來源：Digi)

Digi 的 X-ON 是完整的裝置至雲端平台，適用於 IoT 終端裝置。此平台同時提供開發與作業雲端解決方案。X-ON 結合內建的 LoRaWAN 網路伺服器並加入伺服器，以支援執行 LoRaWAN 無線協定的裝置和閘道器。加入伺服器能處理加入流量，包括網路和應用伺服器驗證及工作階段金鑰的產生。

此平台可讓開發人員：

• 設定、監控和診斷來自網路及行動介面的裝置或閘道器
• 透過佈建應用程式來實現裝置和閘道器的部署自動化
• 管理無線網路閘道器
• 直接從終端裝置收集並分析資料
• 使用雲端之間的 API，在多個雲端平台間進行即時雙向裝置資料傳輸
• 登入並追蹤即時資料訊息，以進行互動式操作和終端裝置及閘道器的故障排除
• 透過開放式 API 來整合資料，以便透過第三方公用程式開發更複雜的應用程式 (圖 6)

圖 6：Digi 的 X-ON 是一款供 IoT 終端裝置使用的裝置至雲端平台，可讓開發人員透過佈建智慧型手機應用程式來自動部署裝置和閘道器。開發人員接著可設定、監控並診斷來自網路及行動介面的裝置或閘道器。(圖片來源：Digi)

開始進行 LoRaWAN 專案

由於用戶端擴充板 — STMicroelectronics 的 Nucleo 和 Arduino 開發板使用嵌入式 ARM Keil 微控制器，而且也「啟用 ARM Keil 的 Mbed」，因此透過 Digi 入門套件開始進行專案相對直接了當。(supplierid:685ARM Keil 的 Mbed 是一款平台兼作業系統 (OS)，適用於搭載 ARM Keil 的 32 位元 Cortex M 級微控制器之 IoT 裝置。)用戶端擴充板包含嵌入式 AT 指令語言和 ARM Keil 的簡化版 Mbed C++ 嵌入式 API，特別用來進行抽象化以除去設計複雜性，以簡化開發作業。

Digi 的 LoRaWAN 入門套件 Mbed 相容性，可透過 ARM Keil 的 Mbed 線上資源來支援應用程式開發作業。此資源包括三種選項。Mbed Online Compiler 可讓開發人員無需安裝任何東西，便能即時開始應用程式開發。一切只需要 Mbed 帳號即可。

若需要更進階的應用程式開發，Digi 的 LoRaWAN 入門套件可連接到 Mbed Studio 桌上型整合式開發環境 (IDE)，以建立、編譯和除錯 Mbed 程式。最後是 Mbed CLI 指令行工具，可整合到開發人員偏好的 IDE 之中。

最快的開發途徑，首先是建立 Digi 的 X-ON 帳號。接下來，開發人員需要註冊 Mbed Online Compiler 帳號。將用戶端擴充板安裝在開發板之後，此組件需要透過 USB 纜線連接到桌上型電腦。用戶端擴充板的「PWR」LED 和開發板的「COM」LED 接著會亮起，表示這些電子裝置皆已通電。

然後，Mbed Online Compiler 引導開發人員進行一連串簡易的步驟，將硬體平台新增到編譯器上。一旦新增了硬體，可從 Mbed 儲存庫 (或其他資料庫) 中的感測器應用程式範例中，將程式碼匯入編譯器並下載到開發板。此外，編譯器也能用來變更裝置等級和網路加入模式等 LoRaWAN 設定 (圖 7)。

圖 7：使用 ARM Keil 的 Mbed Online Compiler，便能輕鬆變更裝置等級和網路加入模式等 LoRaWAN 設定。(圖片來源：Digi)

假若閘道器正在執行中，終端擴充板／開發板將加入網路並且開始每 15 s 傳送上行鏈路 (預設模式)。在 X-ON 帳號頁面，一旦按下「Stream」(串流) 按鈕，從裝置傳輸的資料便會顯示在螢幕上。

結論

對於 IoT 感測和致動器網路的設計人員來說，LoRaWAN 提供免授權的 RF 存取、數十公里的覆蓋範圍、低功耗、優良的安全性和可擴充性，以及穩定的連線能力。但是，就如同許多 IoT 無線協定一樣，要處理終端裝置連線能力、佈建、閘道器，以及串流感測器資料到雲端都是棘手的挑戰。

如本文所示，Digi 的 LoRaWAN 入門套件可解決這當中的許多問題。此套件具備用戶端擴充器，內含 ARM Keil 的簡化 Mbed C++ 嵌入式 API、含乙太網路回程的 LoRaWAN 閘道器，以及具備「立即掃描」行動佈建能力的 X-ON 裝置至雲端平台。開發人員使用此入門套件就能迅速開始進行 LoRaWAN 硬體原型開發、開發並移植感測器與致動器應用程式碼，並透過雲端平台分析及呈現資料。