如何以最低功耗實作 LoRa 空中韌體 (FOTA)

2018 年 10 月，LoRa 聯盟宣布使用統一的規格來執行 IoT 端點的空中韌體 (FOTA) 更新。雖然這是 LoRa 網路的一大福音，但對使用快閃記憶體微控制器來設計低功率 IoT LoRa 端點的人員來說，卻是一項挑戰。

與讀取相比，暫時性大量寫入微控制器的快閃記憶體，將會增加微控制器的功耗。此外還需要使用更大的穩壓器，以處理增加的功率。

這兩種情況都不是我們所樂見的，因此本文將描述如何同時使用微控制器和 FRAM，以低功率的方式來寫入韌體。當微控制器和 FRAM 組合搭配上新的 LoRa 收發器，FOTA 的功率會比傳統的快閃記憶體微控制器方法更低。

什麼是 LoRa？

物聯網 (IoT) 的目標之一，在於使用最少的功率進行數據無線傳輸。電池供電式感測器應用的設計人員，特別考量如何以最低的電池耗電量，將低速率感測器數據無線傳送好幾英里。在目前現有的解決方案中，藍牙和 Zigbee 專為短程應用所設計，而手機數據則相對耗電。LoRa 已成為這個問題的熱門解決方案。

LoRa 為 Long Range (遠程) 的簡寫。LoRa 無線網路專為低數據傳輸率、低功率、遠程傳輸非即時性數據所開發。數據傳輸率介於 0.3 kbit/s 和　5.5 kbit/s 之間，適合用於定期性的感測器數據傳輸。雖然 LoRa 規格描述網路的調變和電氣特性，但 LoRaWAN (廣域網路) 則描述 LoRa 網路的協定和數據格式。

LoRa 訊號功能是透過改變頻率來調變訊號，這與 FM 類似。然而，當經過適當調變的 FM 訊號瞬間改變頻率時，LoRa 調變訊號會在一段時間內慢慢增加或減少頻率。這種頻率逐漸增加或減少的現象稱為啁啾 (chirp)，該方法稱為啁啾調變。頻率隨時間變化的速率稱為「啁啾率」(chirpiness)。

LoRaWAN 網路總是採星形拓撲的形式，而訊號和存取協定在設計上為使用最小功率，並將多個端點的訊號衝突最小化。每個 LoRaWAN 端點都會將數據傳送到閘道，藉此將數據傳輸到另一個網路，例如乙太網路或 Wi-Fi。通常閘道會接收所有的 LoRaWAN 數據，並透過網路將數據傳輸至中央電腦，以進行儲存或進一步的處理。

任何無線通訊的傳輸距離都取決於環境。在都市城鎮內，LoRaWAN 的預期傳輸距離為 1 至 3 英里，鄉下地區為 3 至 9 英里，直視性數據傳輸距離則可達到 131 英里。舉例而言，氣象探測氣球中的 LoRaWAN 端點曾經只使用 25 mW 的傳輸功率，就將數據傳送到 436 英里外的地上閘道。

每個 LoRa 端點都分成三個部分：

1. 一或多個用於收集數據的感測器
2. 一個微控制器
3. 一個 Semtech 的 LoRa 無線電晶片

感測器是端點存在的原因。LoRa 感測器應用包括溫度和濕度監測、水和燃料的液位監測，以及空氣和液體壓力。這幾種感測器收集的是靜態數據，不會隨時間快速變化，因此能只以 5.5 kbits/s 的速度進行無線傳輸，而不會對該應用產生任何影響。

無線電晶片和天線可直接透過 LoRa 網路進行通訊。Semtech 公司擁有 LoRa 傳輸方案的專利。目前所有 LoRa 無線電都使用 Semtech 公司的無線電晶片，或使用其中含有這種晶片的無線電模組。

Semtech 的 SX1262IMLTRT LoRa 無線電收發器專為電池供電式 LoRa 應用所設計，符合 LoRaWAN 無線電傳輸標準 (圖 1)。在收發數據時，此產品只消耗 4.2 mA 的電流，RF 輸出功率為 +22 dBm。SX1261 型號功率更低，RF 輸出功率為 +15 dBm。兩者皆為半雙工收發器，都在 Sub-GHz 範圍內運作，並處理固定包封調變方案 (例如 LoRa) 以及頻移鍵控 (FSK)。板件上均提供 DC-DC 降壓轉換器和線性 LDO 穩壓能力。

圖 1：Semtech 的 SX1262IMLTRT 和 SX1261 是用於 LoRa 應用的一體式半雙工無線電，板件上均提供 DC-DC 降壓轉換器和線性 LDO 穩壓能力。(圖片來源：Semtech)

為 LoRaWAN 端點選擇微控制器

LoRaWAN 端點中的微控制器可讀取並處理感測器數據，並連接至 SX1262，經由網路傳輸數據。微控制器必須有足夠的記憶體，以用於滿足 SX1262 驅動器、感測器驅動器和應用程式碼的需要。表 1 列出在使用 Semtech 的 SX1262 無線電晶片時，對 LoRaWAN 端點中微控制器的要求。

表 1：表中顯示一個簡單 LoRaWAN 端點的微控制器最低要求，此端點以最少量的處理工作來收集和傳輸感測器數據。對於更複雜的端點，如果遵循建議要求，系統將會更為穩固。(表格來源：Semtech)

根據表格來看，可以在 8 位元的微控制器上，實作基本獨立式 LoRaWAN 端點的最低要求。此端點可以是簡單的低功率 LoRaWAN 端點，只需偶爾將感測器原始數據傳回至閘道。

但如果端點要處理大量的流量，或必須對感測器數據進行某些處理，則應遵循表 1 中的建議要求。當然，隨著 LoRaWAN 端點中的記憶體和處理能力增加，端點的功耗也會增加，進而需要使用容量更大的電池。這與 LoRaWAN 原先設計低功率 IoT 端點的目標有所矛盾。

在設計 LoRaWAN 端點時，必須持續留意這是低功率系統，系統不能因功能延伸而變得更複雜，最後白白消耗更多功率。在為 LoRaWAN 端點選擇微控制器時，應注意儘量降低時脈速度和記憶體大小，因為這些也會影響功耗。

更新 LoRaWAN 端點中的微控制器韌體

2018 年 10 月，LoRa 聯盟規定所有 LoRa 網路都要以統一的方式，來執行 LoRa 端點的空中韌體更新 (FUOTA)。新的標準規定必須進行全網路時脈同步，而這能大幅減少數據封包遺失的數量。同時也對多點傳播傳輸進行了標準化，而這種傳輸技術必須用於將同一個韌體更新傳輸至多個端點的情形。時脈同步和多點傳播傳輸都需要準確的時基，這代表所有 LoRa 端點都必須具備 RTC 準確度達 1 ms 的微控制器。

雖然更新 LoRaWAN 端點中的韌體是個很重要的功能，但新問題也隨之而來。要在現場更新韌體，需要將微控制器的程式記憶體進行重新編程，此記憶體通常是非揮發性快閃記憶體。而要對快閃記憶體進行編程，需要對記憶體單元施加 10 V 或更高的電壓。這需要使用更大的穩壓器和相關電路，才能對快閃記憶體進行編程。由於某些連網系統一年可能只更新韌體幾次，因此這項投資會增加成本，而且也會低效率地佔用額外的板空間。

除了搭載快閃記憶體的微控制器，另一個替代方案是搭載鐵電隨機存取記憶體 (FRAM) 的微控制器。FRAM 記憶體只需要 1.5 V 電壓，即可對記憶體單元進行編程。Texas Instruments 的 16 位元 MSP430FR6047 FRAM 型微控制器，就是一個符合 LoRaWAN 節點建議要求的產品。此產品具有 256 KB 的 FRAM 程式記憶體，以及提供日曆和警報功能的 RTC。而加密組塊可支援 AES-128 和 AES-256。此微控制器可支援高達四個 SPI 連接埠，並具有足夠的外部中斷輸入，以支援 Semtech SX1262 所需要的四個輸入，進而輕鬆接合兩個裝置。此外，在韌體中能輕易產生 IEEE 64 位元延伸唯一識別碼 (EUI) (圖 2)。

圖 2：MSP430FR6047 具有 256 KB FRAM、8 KB SRAM，以及各種用於感測器型應用的周邊裝置。(圖片來源：Texas Instruments)

MSP430FR6047 專為以電池供電的智慧型儀表所設計，具有整合式超音波感測周邊裝置，因而能十分準確地進行水流偵測和液位感測。這些進階功能可輕鬆適應許多不同的感測器應用。

雖然 MSP430FR6047 只有 8 KB 的 RAM，而不是建議的 16 KB，但如果不需要進行複雜的感測器融合處理，這並不會在 LoRaWAN 感測器端點中造成什麼問題。此外，MSP430FR6047 的整合度高，既能改善效能，也能節省記憶體和板空間。超音波感測應用中的類比前端包含可編程脈衝產生器、12 位元類比數位轉換器 (ADC) 和可編程增益放大器。在從類比感測器收集數據時，所有這些裝置都非常有用。

MSP430FR6047 具有 32 位元硬體乘法器，以及低能量加速器 (LEA) 訊號處理核心，此核心能獨立於 MSP430 核心之外，自行執行 256 點 FFT 運算。LEA 可加速低功率應用的訊號處理速度，延長電池的續航力。

MSP430FR6047 的功率極低，即使在 8 位元和 16 位元微控制器的環境中也是如此，而這些微控制器的功率已經很低。在 MSP430 16 位元核心和周邊裝置運行的情況下，MSP430FR6047 每 MHz 僅汲取 120 μA 電流。在 RTC 運行的情況下，待機模式僅汲取 450 nA 電流。此微控制器具有僅汲取 30 nA 電流的關閉模式，但使用後也會關閉即時時脈 (RTC)，因此不建議對 LoRaWAN 端點使用關閉模式。

使用 FRAM 進行 FUOTA 設計

要開發 MSP430FR6047 韌體，可使用 EVM430-FR6047 評估板來進行。此板件以 USB 供電，並提供評估應用中 MSP430 所需具備的所有硬體。此評估板具有 BoosterPack™ 模組的連接器，可為該板件增添其他功能。板件上還有用於連接感測器的其他引腳。

圖 3：用於 MSP430FR6047 的 Texas Instruments EVM430-FR6047 評估板具有 LCD 顯示器，並能讓您取用 MSP430FR6047 上的所有引腳。(圖片來源：Texas Instruments)

針對 SX1262 的評估和開發，Semtech 提供 SX1262MB2CAS LoRa MBED 擴充板 (圖 4)。

圖 4：用於 SX1262 的 Semtech MBED 擴充板是一種含有 SX1262 RF 收發器的簡易評估板。(圖片來源：Semtech)

MSP430 BoosterPack 連接器提供所有必要的訊號，能將 MSP430 連接到 Semtech 的 SX1262 MBED 擴充板。BoosterPack 連接器具有四個必要的 SPI 引腳，以及三個額外的 GPIO 引腳，可配置為 MSP430 的輪詢輸入，或配置為外接中斷引腳。如果需要額外使用一個外接中斷引腳，可將 BoosterPack 連接器上的四個引腳連接到 MSP430 UART 的其中一個。這些 UART 引腳可配置為 GPIO 或 MBED 擴充板的外接中斷引腳。雖然 BoosterPack 和 MBED 擴充板在實體上與引腳並不相容，但可以輕鬆跳接，在 MSP430 和 SX1262 之間提供必要的連接。

此外，Texas Instruments 還提供 Code Composer Studio™，這種 IDE 能讓您編寫 MSP430 程式碼並進行除錯。

結論

LoRa 已成為傳輸 IoT 感測器數據的常用標準。此標準已經擴展到包含 FUOTA 功能，這在長效電池續航力方面帶來新挑戰。透過選擇 FRAM 型微控制器而不是快閃記憶體，設計人員可以大幅降低將這些更新寫入裝置記憶體所需的功率。

而且，如上所示，要徹底降低電池耗電並為應用提供足夠的處理能力，微控制器的選擇已變得更加重要。