如何利用 LPWAN RF 模組快速進行低功率無線 IoT 感測

在考量物聯網 (IoT) 感測器的無線連線能力時，開發人員常常最先想到 Wi-Fi、Zigbee 或藍牙。但這些技術常常無法滿足需求，實際的應用需要更低的功率、更遠的距離、更低的數據傳輸率和不同的使用模式。與其要從頭設計自己的無線介面，並承擔相關的成本、潛在的延遲與重工問題，設計人員反而可以用現成的模組來實現多種相對較新的低功率廣域網路 (LPWAN)。

這些 LPWAN 網路包括 Sigfox、LoRaWAN 和較新型的 Radiocrafts Industrial IoT (RIIoT)，在設計上都是用來連接以中度取樣率工作且相對簡單的感測器，而且在遠距離下 (可達 50 km 及更遠) 偶爾傳送較短的數據突衝。這種應用通常會採用極為嚴格的功率限制，位置偏遠或不便的感測器，能達到最長的電池續航力。理想情況下，這些位置的感測器，能透過鈕扣型電池或 AAA 電池可靠地運作長達 10 年。

本文探討典型遠距 IoT 感測的設計需求，以及 Sigfox、LoRaWAN 和 RIIoT 的特性。接著會介紹 Pi Supply、Sigfox 與 Radiocrafts 推出的適合產品，並展示其使用方法。

LPWAN 特性

LPWAN 之所以能以低功率工作，其中一個秘訣就是頻寬很窄 (圖 1)。根據資訊理論原則，訊號頻寬及訊噪比 (SNR) 和資訊傳輸的錯誤率大有關係。SNR 越大或頻寬越窄，錯誤率就越低。

圖 1：LPWAN 頻寬很窄，因此能在較遠的距離下達到更低功率的操作。(圖片來源：Peter R. Egli，透過 Slideshare 提供)

LPWAN 網路善用這個關係，在遠距離下以低輸出功率達到十分可靠的資訊傳輸。藉著採用相對較低的數據傳輸率，LPWAN 系統也能減少訊號頻寬需求，因此能讓 LPWAN 系統的通訊距離達到數公里。

LPWAN 系統的第二大要素是，這種系統使用國際上免執照的工業、科學和醫學 (ISM) 頻段 (886 - 906 MHz) 中的 sub-GHz 頻率。根據方程式 1，在指定發射功率下，以這些頻率 (且波長更長) 操作能減少自由空間路徑損耗，提升有效範圍：

 方程式 1

說明：

d = 距離

λ = 波長

頻率較低時，遭到牆壁與大樓等障礙物吸收的無線射頻 (RF) 能量較少，因此 LPWAN 系統在都市環境中具有絕佳的穿透力。

ISM 設計雖然不需要執照，但仍需遵守 ISM 頻段操作的全球功率與電磁相容性規範。

LPWAN 範例

雖然 LPWAN 有很多種選擇，但對希望快速開發感測器型 IoT 應用的開發人員來說，較適合的選擇當然是 LoRaWAN、Sigfox 和近期推出的 RIIoT。每種選擇都有預先配置的無線電和感測器介面模組支援，因此開發人員可輕鬆放入設計中，同時還有開發套件可協助快速進行設定與應用開發。

LoRaWAN 網路採用 LoRa Alliance 所管理的開放標準，以及 Semtech Corp 所擁有和授權的自行研發式展頻無線電技術為基礎。此網路使用延伸星狀 (star-of-star) 拓撲，能讓個別節點和多個閘道器通訊，進而達到漫遊。此網路支援閘道器與節點間的雙向通訊，能讓閘道器將訊息從一個節點轉送到另一個節點，以及轉送到雲端伺服器。

LoRaWAN 能達到 300 bit/s 至 50 kbit/s 的數據傳輸率、處理高達 243 位元組的訊息酬載，並使用 125 kHz 或 250 kHz 的訊號頻寬。此網路支援適應性數據傳輸率，能在不斷變化的情況下中維持訊號可靠性，還能在都市環境中達到 5 km 的傳輸距離，直視性 (LoS) 範圍可長達 20 km。使用者可以開發節點並接入商業經營網路，或是利用自己的閘道器和回程網路建立私人網路。

Sigfox 網路是 Sigfox 自行研發及管理的通訊協定，並授權其技術給晶片開發人員，讓使用者透過全球的閘道器基地台存取其網路。Sigfox 網路可在 100 Hz 訊號頻寬下，將數據傳輸率保持在 600 bit/s，因此能夠達到最大的傳輸距離。此網路在 LoS 條件下可達到 40 km，在都市環境中可達到 10 km。此精簡型網路協定能將上行鏈路訊息封包限制在 26 個位元組 (使用者資料最多 12 個位元組)，因此只會讓發射器短暫通電。節點每天只能傳送 140 則訊息，而閘道器在接收到來自節點的上行鏈路訊息之後，每天只能向節點傳送下行鏈路訊息四次。因此，節點無線電作用的時間非常短，大多數時間都處於睡眠模式，以便將功耗降到最低。

雖然 LPWAN 無線電屬於低功率，但在現實世界裡，低功率是相對的概念。舉例來說，Radiocrafts 的 Sigfox 模組產品有兩個不同的功率選項。RC1692HP-SSM 高功率感測器介面模組透過 UART 連線，與主機微控制器進行通訊，並提供 SPI、I²C、類比與 GPIO 埠以連接感測器 (圖 2)。此元件以 2.8 至 3.6 V 電壓工作。

圖 2：完整的 Sigfox 無線電與感測器介面模組 (如 Radiocrafts 的 RC1692HP-SSM)，在非發射期間的耗電量只有 20 µA。(圖片來源：Radiocrafts)

在睡眠模式下，此模組耗用 1 µA 的電流。在接上感測器的主動模式下，閒置時的耗電量不到 20 µA，發射時的耗電量則為 292 mA。

較低功率的 RC1682-SSM 模組主要鎖定歐洲市場，耗電量大幅降低，發射時只耗用 58 mA。

RIIoT 網路是開發人員考慮 LPWAN 時的最新選擇之一。此網路的建構基礎是 IEEE 802.15.4g/e 實體層 (PHY) 標準，最初是針對智慧量測與製程控制應用所開發。此網路添加了 RF 與媒體存取控制 (MAC) 特點，可支援低功耗、遠距離與進階安全性。透過星狀網路進行雙向通訊，可提供小於 15 ms 的可預測網路延遲時間，適合近乎即時的控制應用。

RIIoT 提供兩種數據傳輸率 (5 kbit/s 和 50 kbit/s)，以及兩種功率等級，因此開發人員能在電池續航力、數據傳輸率和距離之間達到最佳的取捨，確實滿足其需求。在低功率、高數據傳輸率的情況下，RIIoT 網路的 LoS 距離可達到 5 km，在都會區可達 200 m，傳輸突衝為 3.5 ms。在數據傳輸率較低、輸出功率較高的情況下，LoS 距離可達 60 km，在都會區可達 2 km，傳輸突衝為 45 ms。典型葉狀節點的睡眠電流為 0.7 µA。

RIIoT 網路的建構涉及三個主要元素，即節點、閘道器與網路控制器軟體。個別的「葉狀」節點採用 Radiocrafts 的 RC1880CEF-SPR 等模組，其中整合類比數位轉換器 (ADC) 與 GPIO、I²C、SPI 及 UART 介面。這些節點會和 Linux PC 進行無線通訊，而 Linux PC 會使用相容的板載 RC1880CEF-GPR 模組 (板件能插入擴充槽中)，或是使用 USB 隨身棒 (隨身棒會插入其中一個 USB 埠中)。

要將此 PC 完全變成 RIIoT 閘道器，開發人員需要安裝第三個元件，即 RIIoT Net Controller 中介軟體。此軟體不只管理網路 (包括葉狀節點的空中韌體更新)，也會將資料和命令轉換成 JSON 物件，以簡化與雲端的介接。

圖 3：完整的 RIIoT 網路包含葉狀節點、託管閘道器模組的 Linux PC，以及控制器軟體。(圖片來源：Radiocrafts)

RIIoT 針對基礎的 IEEE202.15.4 標準增添了幾項關鍵特點，其中一個是針對資料傳輸實作端對端安全性。Sigfox 不支援加密；LoRaWAN 針對節點與閘道器間的無線鏈路提供加密支援；RIIoT 更進一步增強安全性。

RIIoT 能讓每個節點都擁有獨一無二的安全金鑰。如此一來，系統能持續保持訊息的保密狀態，從節點一路到與其互動的雲端應用程式都維持保密。閘道器可以單純傳遞加密訊息，不用存取內容。

使用模組與套件加速設計：RIIoT

對於想要實作 LPWAN IoT 網路的開發人員而言，可以利用針對多種網路提供的眾多預先配置型 RF 和感測器介面模組之一，來加快設計工作。這些模組解決了 RF 設計、功率最小化與協定實作層面的所有棘手問題，因此基本上已成為主機處理器直接可用的通訊裝置。此外，這些模組已預先獲得 ISM 頻段合規認證。開發人員雖然還是得讓最終產品獲得認證，但無線電元件通過認證能大幅簡化最終認證的程序，而且更有把握通過最終認證。

這些模組內建感測器介面與控制邏輯，因此有助於加快設計速度。例如，Radiocrafts 的 RC1880CEF-SPR 具有用於 ADC 類比輸入的介面、用於開關的 GPIO、用於相容感測器的 I²C 和 SPI，以及用於連接主機處理器的 UART (圖 4)。開發人員可將此模組放入設計中，同時滿足系統的無線通訊與感測器介面需求。此模組可進行編程，即可自行處理感測器的設定、控制和取樣，進而簡化應用處理器的工作。感測器和通訊看起來就像記憶體對應用程式碼的讀寫操作。

圖 4：LPWAN 系統的模組可同時包含無線電與感測器介面，因此更容易導入到 IoT 感測器系統設計內。(圖片來源：Radiocrafts)

RC1880-RIIOT-DK 等開發套件，能協助開發人員快速設置完整的端對端 RIIoT 網路，以進行實驗。此套件中含有完整網路所需的葉狀節點、閘道器模組以及系統軟體。此外，還提供可編程葉狀節點的 C 語言軟體工具，，以便處理連接的感測器。

LoRaWAN 和 Sigfox 的模組與開發套件

LoRaWAN 也能使用現成的預先配置模組，即可輕易實作 IoT 系統。Pi Supply 的 PIS-1019 RAK811 LoRaWAN 模組，就是很好的例子 (圖 5)。

圖 5：Pi Supply 的 PIS-1019 RAK811 LoRaWAN 模組內建感測器介面與序列埠，能讓主機微控制器利用標準 AT 命令控制模組。(圖片來源：Pi Supply)

此元件為主機微控制器提供序列埠，能讓主機微控制器利用標準 AT 命令控制模組。為了協助設置完整的網路，PIS-1019 的 PIS-1037 開發套件含有閘道器集訊器模組，可將主機 PCIe 控制器轉變成閘道器／路由器存取點 (圖 6)。

圖 6：LoRaWAN 使用者可使用 Pi Supply 的 PIS-1037 (PIS-1019 的開發套件) 資源，建構自己的網路閘道器。(圖片來源：Pi Supply)

Radiocrafts 也有完整的 Sigfox 開發套件，例如用於 RC1692HP-SSM RF 模組的 RC1692HP-SSM-DK 套件，以及用於 RC1682-SSM RF 模組的 RC-1682-SSM DK。這些套件開箱後即可開始使用，能夠測試與開發 Sigfox 無線電模組。套件隨附溫度與濕度感測器、加速計以及霍爾效應感測器。

不過，使用 Sigfox 的開發人員無法選擇建立自己的網路。Sigfox 可操作和維護系統閘道器與回程網路，使用者需付費才能存取。但是，這些模組附有預先編碼式 ID 及加密金鑰，一旦註冊後，只需極少的設定就能開始傳送資料到 Sigfox 雲端。

結論

若設計人員希望在遠距離下，以較低的功率將低數據傳輸率的感測器連線至 IoT 時，除了 Wi-Fi、Zigbee 或需執照的行動網路外，目前還有 RIIoT、LoRaWAN 和 Sigfox 等令人注目的 LPWAN 解決方案可選擇。這些選擇雖然優點不盡相同，但都能處理從智慧儀表到智慧農業等的眾多應用。