使用經認證的低功耗廣域網路模組，加快遠距連線的開發速度

許多大容量感測器型應用投入於農業、資產追蹤、公用事業和物聯網 (IoT) 當中，開發人員需要在這類應用的擴大作業範圍內，提供安全的連線能力。遠距廣域網路 (LoRaWAN) 協定旨在支援此類裝置的超大型網路，可以提供有效的解決方案，但需要對此領域相當熟悉且具備一定的專業知識，才能快速實作出最佳化的通訊子系統。

本文將簡要說明低功耗廣域網路及其功能，然後介紹 Murata Electronics 的低功耗廣域網路認證模組。此模組可為開發人員提供立即可用的解決方案，以便透過低功耗廣域網路 (LPWAN)，實現極遠距連線。為了加速原型開發，還介紹了該模組的開發板和軟體支援。

什麼是低功耗廣域網路？

在可用的無線連線選項中，新興的低功耗廣域網路儼然已成為適用於伺服器型應用的高效率解決方案，可與低功耗終端裝置連線，且距離遠超過最耳熟能詳的無線選項 (如 Wi-Fi 或藍牙) 的連線範圍。在低功耗廣域網路中，應用伺服器可透過傳統的傳輸控制協定／網際網路協定 (TCP/IP) 網路，與低功耗廣域網路閘道器進行通訊 (圖 1)。

圖 1：在典型低功耗廣域網路應用中，伺服器連接到閘道器，而閘道器又使用 LoRa 技術的遠距低功耗功能，連接至可能位於數公里之外的終端裝置。(圖片來源：Murata Electronics)

在未經許可的工業、科學和醫療 (ISM) 頻段中，低功耗廣域網路閘道器則使用在這些頻段中運作的 LoRa sub-GHz 無線射頻 (RF) 技術，與終端裝置進行通訊。LoRa 技術是專為傳輸速率相對較低的應用而設計，可提供大約 10 Kbits/s 的最大傳輸速率，但在遠距應用中具有獨特優勢。

LoRa RF 基於展頻式技術，可讓開發人員以傳輸速率交換距離的優勢，在鄉間地區超過 15 km 的距離內，或人口稠密的城市地區超過 5 km 的室內位置內，輕鬆實現可靠的雙向通訊。

低功耗廣域網路協定具有安全模式，可保護通訊。低功耗廣域網路使用一對安全金鑰：一個可以確保在封包層級的真實性和完整性；另一個則可在終端裝置和應用伺服器之間，提供端對端訊息的安全性。

低功耗廣域網路協定可提供更多優勢，藉以平衡應用中具有通訊需求之終端裝置的功耗。低功耗廣域網路允許裝置在以下三種類別之一中執行：A 類、B 類或 C 類。任一類的裝置，可以根據需求傳輸訊息，但所屬類別則決定了何時可接收訊息。

A 類裝置是最具能效的裝置，專為事件驅動型操作而設計 (例如當感測器檢測到環境發生變化時)。A 類裝置可以在不同事件發生之間保持為睡眠模式，且僅在感測器數據採集喚醒足夠長的時間後，才傳輸數據，然後在上行鏈路傳輸後，在指定的延遲 (RX1 和 RX2) 時間，打開下行鏈路接收窗期 (圖 2)。

圖 2：低功耗廣域網路類別中最具能效的 A 類操作，允許裝置盡可能長時間處於睡眠模式，且僅在上行鏈路完成後變成啟用狀態時，才傳輸 (上行鏈路) 數據到閘道器，然後打開第一個接收窗期 (RX1) 和第二個接收窗期 (RX2)。(圖片來源：Murata Electronics)

B 類裝置可按照應用要求的排程，支援定期運作。對於 B 類裝置，低功耗廣域網路協定使用閘道器傳輸的信標，將終端裝置與網路同步，以允許裝置按指定排程，打開下行鏈路接收窗期 (圖 3)。

圖 3：低功耗廣域網路B 類裝置使用連線閘道器所傳輸的信標啟用同步下行鏈路，藉以維持計時功能。(圖片來源：Murata Electronics)

C 類裝置專用於要求終端裝置持續監聽下行鏈路訊息的應用。由於 C 類裝置需要保持在啟用狀態，因此通常是由線路供電而非由電池供電，這與 A 類甚至 B 類裝置一樣 (圖 4)。

圖 4：低功耗廣域網路 C 類裝置通常由恆定電源供電，在不傳輸上行鏈路訊息時，始終保持在啟用狀態下，不斷偵聽下行鏈路訊息。(圖片來源：Murata Electronics)

儘管在概念上看似簡單明瞭，但實作低功耗廣域網路需要大量的知識和經驗，才能在低功耗廣域網路協定的詳細操作參數及其底層 LoRa 技術之間，找到適當的平衡。

經認證的低功耗廣域網路模組提供立即可用的解決方案

Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模組和相關韌體可提供立即可用的解決方案，藉以加速低功耗廣域網路連線，為終端裝置提供完整且經過低功耗廣域網路認證的解決方案。此模組整合 Semtech 的 SX1262 LoRa 收發器、STMicroelectronics 的 STM32L072 微控制器 (含 192 Kbyte 的快閃記憶體)、RF 開關，以及溫度補償晶體振盪器 (TCXO)。另外，其還採用屏蔽式樹脂模製封裝，且尺寸僅為 10.0 x 8.0 x 1.6 mm (圖 5)。

圖 5：Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模組提供完整的低功耗廣域網路連線解決方案，整合 Semtech SX1262 LoRa 收發器和 STMicroelectronics STM32L072 微控制器，可執行預載的低功耗廣域網路堆疊。(圖片來源：Murata Electronics)

此模組使用單一 3.3 V 電源運作，在 125 kHz 的頻寬下僅消耗 15.5 mA 的電流，同時在相同頻寬和最大展頻因數下，當參考電壓為 1 mW (dBm) 時，可提供 -135.5 dB 的接收器靈敏度，封包錯誤率則為 1%。展頻因數的定義為：LoRa 的線性展頻技術實作中，每位元的啁啾數。至於傳輸方面，此模組可提供高達 +21.5 dBm 的傳輸功率，同時在最大傳輸功率下消耗 118 mA。

LBAA0QB1SJ-296 模組可支援 A 類、B 類或 C 類的低功耗廣域網路，提供多種低功耗操作模式，使開發人員能夠平衡效能與功耗。至於電池供電終端裝置 (通常在 A 類或 B 類中運作)，此模組可以在超低功耗模式下執行，且該模式的即時時脈運作只會消耗約 1.3 µA，因而可運作達數年之久。

快速開發低功耗廣域網路連線裝置

使用 LBAA0QB1SJ-296 模組，為終端裝置系統新增低功耗廣域網路連線功能，相對上較為簡單明瞭。在硬體方面，此模組透過本身的通用型非同步接收器／發射器 (UART) 介面，連接至終端裝置主機處理器。除了用於主機通訊的 UART 介面外，此模組只需要一個外部天線和幾個附加元件，即可提供完整的低功耗廣域網路硬體子系統 (圖 6)。

圖 6：使用 Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模組，開發人員只需幾個附加元件，即可將經認證的低功耗廣域網路連線功能新增至其終端裝置的設計中。(圖片來源：Murata Electronics)

在軟體方面，LBAA0QB1SJ-296 模組預先配置完整的堆疊，以便在 915 MHz ISM 頻段中執行低功耗廣域網路作業。在作業過程中，終端裝置主機處理器使用 AT 命令集，以管理並監控模組運作。

雖然模組的硬體介面和預載的韌體有助於加速客製化的開發，但 Murata 的 LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK 評估板可讓開發人員立即開始進行快速的原型開發作業，並加速生產設計的開發 (圖 7)。

圖 7：Murata 的 LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK 評估板結合 LBAA0QB1SJ-296 模組及周邊裝置和連接器，旨在加快低功耗廣域網路連線功能的評估及快速原型開發。(圖片來源：Murata Electronics)

評估板可支援具備多個使用者介面元件的板載 LBAA0QB1SJ-296 模組，其中包括發光二極體 (LED)、熱敏電阻和按鈕。開發人員可以藉著使用電路板的 Arduino Uno V3 連接器來新增所需的周邊裝置，進一步擴展電路板功能。

開發人員若要為其應用開始評估低功耗廣域網路，則只需安裝合適的 915 MHz RF 超小型版本 A (SMA) 天線，透過外部電源供電，並透過電路板的 USB 連接器，將電路板連接至主機開發系統。

電路板完成後，開發人員可以使用終端模擬程式，或可供已註冊的電路板使用者運用的圖形使用者介面 (GUI) 測試工具，來測試模組運作。若要延長偵錯，此電路板提供序列線除錯 (SWD) 和 USB 連接器，以便連接 STMicroelectronics ST-LINK 除錯器／編程器。

針對端對端應用評估和軟體偵錯，開發人員只需新增現成可用的低功耗廣域網路閘道器，來完成評估板與應用伺服器間的通訊鏈路。

結論

低功耗廣域網路協定和底層 LoRa 技術提供一種高效率的解決方案，可以在不影響有限功率預算的情況下，進行遠距終端裝置連線。Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 模組旨在加快低功耗廣域網路的部署，可提供經過低功耗廣域網路認證且立即可用的解決方案。開發人員使用 Murata Electronics 的 LBAA0QB1SJ-296 型 LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK 評估板，可以快速開發原型並評估其低功耗廣域網路應用。