运行在低于​​GHz频段的无线模块为传感器网络提供了一个更简单的途径

为了提高我们的生活方式,工业化世界变得更加自动化。除了具有财务影响之外,提高效率还可以对环境产生积极的影响,因为我们使用的自然资源更少,污染物也更少。
自动化以需要以数据形式输入的闭环控制系统为基础。这些数据是通过监视使用大量传感器所涉及的过程而产生的。在物联网时代,一切都是潜在的数据来源。将数据输入到控制回路中是连通性的来源。连通的世界提供了大量有价值的信息。
可以说,最通用的连接介质是无线的,因为除了彼此范围内的一对收发器之外,它可能只需要很少或者不需要基础设施。国际上同意的许可限制为解决方案带来了市场,专注于免许可带宽。在2.4 GHz频段运行的Wi-Fi和蓝牙也许是最受欢迎的。
但是,对于长距离传感器网络等应用而言,亚GHz技术难以胜任。它们比基于2.4 GHz的技术提供更大的范围,虽然这可能是以数据速率为代价的,但这通常不是传感器网络的问题。图1显示了sub-GHz技术如何适应频谱。
在物联网中应用的无线技术的形象
图1:在物联网中应用无线技术的比较。

预先认证的解决方案

对于许多工程师来说,射频仍然是一个具有挑战性的设计领域,需要多年的经验来掌握。高度集成的无线解决方案在这方面的帮助不断扩大,特别是在诸如Wi-Fi,蓝牙,ZigBee等ISM(工业,科学和医疗)免许可频段的技术方面。一般来说,任何无线产品,甚至那些在ISM频段工作的无线产品,都需要符合其所在地区的相关监管要求。这通常涉及将产品通过认可和授权测试实验室进行的认证和认证测试。提供用于无线应用的集成电路的大多数半导体制造商可以在这方面提供帮助,但是对于OEM来说,它仍然是一个必要且成本高昂的过程。
在芯片级别开发的一个流行替代方法是使用预先认证的模块。在这种情况下,绝大多数设计工作已经由制造商完成,包括监管和认证流程。然而,需要注意的是,认证只适用于在认证过程中使用的相同工作条件(天线选择,调制方案)下的模块。最终产品的进一步测试可能是必要的,但由于模块已经预先认证,所以成本,时间和精力大大降低。
使用预先认证的模块可以使其尽可能简单地在一系列应用中添加无线连接,包括远程传感器网络。为了支持这个特定的应用领域,近年来出现了许多无线技术,包括LoRaWAN等行业标准,以及Sigfox,Tinymesh和Whisker.io等专有技术。
的LORA模块的例子包括RN2483从Microchip的和CMWX1ZZABZ-078从村田电子北美。所述RC1692HP-SIG是由Sigfox模块Radiocrafts AS,这也供给RC1191HP-TM模块,其使用该公司的专有协议,Tinymesh。Digital Six Labs的Whisker.IO引擎是专有解决方案的另一个例子。本文的其余部分将更详细地介绍这些模块及其协议,并探讨它们如何用于远程无线传感器网络。

功率低,面积广

长距离(数公里)运行的各种低功耗无线技术的出现为业界提供了创建LoRa联盟和LoRaWAN协议所需的激励措施。它使用星型网络拓扑结构,旨在使制造商能够更轻松地使用可互操作的解决方案创建自己的网络,而不需要依靠网络提供商。也可以使用专用网络,其中网关通常可以与蜂窝基站共存,并利用备用容量来进行回程。
Microchip的RN2483模块适用于网络中的终端设备,如传感器节点或执行器。该模块具有超过15公里和10年以上的电池寿命,该模块经过R&TTE认证,可在欧洲使用。通过14个通用I / O,该模块能够连接许多传感器和执行器,而集成的UART端口则为主微控制器提供接口。该模块可以工作在433 MHz或868 MHz,由主机MCU使用通过UART接口发送的ASCII命令进行配置(图2显示了该模块的框图)。
Microchip的RN2483 LoRa模块图

图2:Microchip的RN2483 LoRa模块
所述CMWX1ZZABZ LORA模块集成了SX1276收发器从升特与STM32L0系列MCU从意法半导体(ST)运行LORA协议。预认证模块符合868 MHz和915 MHz传输。可以使用ST的LoRaWAN SDK将应用程序代码添加到MCU中。它也支持STM32L0的Keil MDK。
与LoRaWAN不同的是,Sigfox是专有协议,运行在私有网络上,由Sigfox合作伙伴在本地运行。这个协议的一个独特的方面是协商连接的需要已被删除。节点只需传输其有效负载,并通过云连接将数据提供给用户。在这方面,它提供了将传感器连接到互联网的最简单的方法。RC1692HP-SIG是一款来自902 - 928 MHz频段的Radiocrafts的预认证Sigfox模块,支持两种网络模式:仅上行链路和上行链路/下行链路。前者可以用于简单提供数据的传感器节点,后者可以用于在节点中包含某种形式的驱动。
专有协议的潜力在频谱的次GHz部分仍然很高,甚至在物联网之前,它们传统上都非常强大。RC1191HP-TM,也来自Radiocrafts,实施自己的专有协议,Tinymesh。与LoRa和Sigfox不同,该协议基于网状网络,因此,当在一个区域中部署多个模块并以“网状”形式互连时,效果最佳。这有助于确保网络的健壮性,因为有效载荷具有多个回到网关的潜在路径。Tinymesh协议栈包含一组多跳协议,使设备能够与嵌入式应用层交换数据,在许多情况下可以消除对主机MCU的需求。网络包含端点,网关和路由器。任何启用Tinymesh的设备都可以配置为执行这些功能之一。Tinymesh命题由Tiny Mesh AS提供的基于云的服务进行补充。
通过将LoRa调制与专有协议相结合,Digital Six Labs开发了产品,以创建包括网关和端点在内的整个物联网网络基础设施。其解决方案的核心是Whisker.IO发动机,该发动机可连接到传感器和执行器,并实现高达40英里的传输距离。

协议

给定应用的正确的sub-GHz技术将取决于很多事情,例如网络的物理尺寸(或节点之间的距离)以及要发送/接收的数据量。
例如,旨在监测农业环境条件的无线传感器网络可能需要每天仅发送几次的相对较小的有效载荷。食品生产工厂可能需要更多的信息,更频繁地发送,在较小的距离。
LoRaWAN协议支持基于数据速率的可变有效负载,其范围从最低速率的51个字节到最高的222个字节(这也受到区域规范/限制)。基于LoRa的Digital Six Labs技术能够发送最多32字节的消息,而基于Sigfox协议的网络可以支持12字节的消息,以100比特/秒的速率发送。

连接

无线模块主要是“即插即用”的,尽管有些模块支持在模块本身上运行的应用程序代码,但它们总是与通过串行接口连接的主机MCU一起使用。其原因部分是为了保护模块的预认证,因为模块的任何更改都可能意味着再次通过认证过程。
这里涵盖的所有模块都可以由主MCU来控制。例如,Microchip的RN2483 LoRa模块符合​​LoRaWAN Class A协议,这是所有三种LoRaWAN协议的最低功耗。这意味着端点启动有效载荷的上行链路并设置接收有效载荷的时间。模块的所有配置设置都由三种类型的命令控制,如图3所示。
Microchip的RN2483 LoRa模块命令接口的图像
图3:Microchip的RN2483 LoRa模块的命令接口。
mac命令用于A类配置和控制命令。主机MCU使用ASCII通过UART接口与模块通信。一个例子包括:
mac tx <type> <portno> <data>
tx命令启动数据传输,<type>变量指定有效载荷是确认(cnf)还是未确认(uncnf),<portno>代表端口(1到223),<data>是有效载荷以十六进制。传输后可能会收到许多响应,如果传输不成功或者任何参数不正确,则包括错误消息。
RC1692HP-SIG Sigfox模块也适用于配有UART接口的主机MCU,如图4a所示。所有数据和配置通过UART接口发送到模块并从模块接收。如图4b所示,模块的配置由主机MCU启动和完成。
Radiocrafts的RC1692HP-SIG Sigfox模块的UART接口图
图4a:来自Radiocrafts的RC1692HP-SIG Sigfox模块的UART接口。
Radiocrafts的RC1692HP-SIG模块的配置模式流程图
图4b:该流程图描绘了来自Radiocrafts的RC1692HP-SIG模块的配置模式。
该模块可以使用UART接口进入睡眠模式,也可以自动进入睡眠模式。然而,主机MCU也必须通过相同的接口将其唤醒,休眠模式下不会收到消息。
该模块包括一个温度传感器,可以使用专用命令读取,返回单个字节,以摄氏度表示温度,精确度为±2°C。
Whisker.IO引擎模块设计时考虑了传感器,集成了两个10位输入,以及两个数字输入和一个数字输出。UART接口和I 2 C端口可用于通过添加ADC,DAC和其他带有串行接口的传感器(如MEMS传感器)来扩展功能。
Digital Six Labs声称使用Whisker.IO引擎最容易实现使用Whisker.IO引擎建立无线传感器网络,然而,这些模块也可以使用AT命令在较低的级别进行管理。
使用来自Digital Six Labs的Whisker.IO引擎的示例应用程序
图5:使用Digital Six Labs的Whisker.IO引擎的示例应用程序。
图5显示了一个简单应用程序的例子,用于配置应用程序的AT命令是:
ATTM01EE32092C
THROW
ATTM12E5AA33
THROW
ATTM73233CBA1
THROW
配置完成后,读取模块EE32092C的输入将需要以下命令:
ATTM01EE32092C
            回应:好的
ATRA03
            回应:好的
            回应:RMRA03014ac0
第一个命令启动主站和模块EE32092C之间的通信,然后发出命令请求从模拟通道3读取数据。第二个响应包含数据值0x014a或小数点330,表示电池电量为3.3 V.

结论

使用预先认证的模块来创建工作在亚GHz频段的无线传感器网络,提供了许多好处。它消除了在RF领域发展的设计挑战,并提供了一个更快,更经济有效的途径进入市场。
对于无线传感器网络的需求正在增长,因为制造商看到收集有关他们的产品和环境的数据的好处。由于预认证无线模块的广泛普及,无线传感器网络的设计,实施和管理变得如此简单。

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