M2351 參考設計方案|LoRaWAN長距離無線通訊模組實例

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NuvotonMarcom
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26 Jun 2019, 17:30

作者:新唐科技 微控制器應用事業群技術經理 – 凌立民 (Robert Ling)

首先,說明物聯網針對大面積應用場景面臨了實現範圍覆蓋與降低裝置功耗的兩難問題:
主要的因素有以下三項:
I. 信號弱,功耗大 → 難以深覆蓋到地下, 經常維護更換電池
II. 覆蓋差,功耗大 → 大面積範圍的部署成本非常昂貴,且需要移動定位
III. 電池供電特性 → 針對長距離且不易佈線需要電池供電的裝置

根據以上整理,我們可以看到了大範圍部件物聯網裝置的通訊問題,而LoRa的運行方式正是提供了這些問題的良好解決答案,請看我們以下的整理。

傳輸距離遠:比蜂窩距離遠/ 覆蓋範圍廣/ 星型拓撲結構
使用壽命長:低功耗/ 10~20年壽命/ >10x vs蜂窩M2M模組
用途廣泛:高容量/ 多應用/ 公共網路
低成本:低成本的基礎設施/ 低成本的終端節點/ 公開協定

由上可以清楚的了解到LoRa這個標準的好處,接著我們說明LoRa Wide Area Network的架構。LoRAWANTM基本上的連線結構跟主流的物聯網通訊架構類似,只不過LoRa採用的是AES-128加密、多通道上傳、網路速率與資料路徑自動調整 (Adaption) 的協定,而這樣的網路部署需要慮到許多的因素諸如:頻譜規畫、資料量規畫、覆蓋目標 (室內或室外) 、功率規劃與所要支持的業務服務。以下是LoRaWANTM簡易架構圖:
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NuMicro® M2351的LoRaWANTM節點參考設計方案
我們跟位於杭州的利爾達公司合作準備推出基於M2351 MCU加上LoRa無線通訊集成功能的模組方案,為了能夠支持國際與中國大陸的標準,預計推出兩種模組,分別以國際LoRaWANTM Specification 1.0.2與LoRaWANTM CLAA 1.3.9 (China LoRa Application Alliance) 的兩種協定版本為依據。而M2351的Armv8-M TrustZone架構正是支持這樣的雙元標準最好的微控制器選擇。由於M2351可以提供TrustZone加上XOM功能,所以不同版本通訊協議層可以依據所要符合的地區標準的規劃放在TrustZone安全區或XOM (eXecute-Only Memory) 內部,其做法有以下好處:
1. 通訊協定的API受Timing的影響較小,反應時間快,比較符合標準
2. 對於特定MCU與OS的依存度較小
3. LoRa協定不容易遭竄改,比較安全
而LoRa無線通訊集成功能模組則整合了射頻元件與天線匹配元件,大幅降低無線通訊硬體部分的設計麻煩,標準的AT Command控制方式也提供產品開發人員便利的無線通訊控制方法,讓開發人員能有更多時間專注於應用系統的開發。


新唐的M2351搭配LoRa無線通訊模組架構
我們以下圖做整理說明:
2.png
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由上述的結構圖可以看出利爾達基於M2351的LoRaWANTM在節點裝置上的參考設計方案,比其一般的解決方案可以不需要加另一顆專注處理無線通訊協定的MCU,搭配M2351的豐富週邊功能,整個參考設計模組內含的兩顆主要晶片就可以完全應付通訊與終端產品的設計需求,例如無線抄表、遠距監控、智慧家庭、智慧工廠與智慧大樓等物聯網應用;換言之,可當通訊模組用途也可以直接針對目標終端產品進行設計。


新唐NuMicro® Family與利爾達的LoRa解決方案的說明與帶來的市場機會
如前面所述,LoRaWANTM的運作還必須配合網關 (Gateway) 與基地台 (Base station),這兩者扮演了非常重要的連上物聯網雲服務平台的角色,而新唐NuMicro® Family的MPU (Micro-Processor Unit) 也在網關的設計上發揮了作用,例如NUC980就適合於開發LoRaWANTM的網關,其所能提供的設計包含了家居室內網關與工業網關。經由LoRaWANTM的節點與網關及基地台的合作,可以實現諸多物聯網的應用如下表的整理。

Smart Industry
• 生產狀態監控
• 能效管理
• 資產跟蹤
• 園區基礎設施監測
• 工業環境監測
Smart Utility
• 智能表計(水電燃氣熱)
• 配電監控
Smart City
• 智慧照明
• 智能垃圾桶
• 智能售貨機
• 智能井蓋
• 智能停車
• 環境監測
• 智慧水務
• 智慧物流
• 應急管理等
Smart Building
• 能效管理
• 安全
• 照明
• 冷暖空調
• 智慧商業大樓(安全)
• 智能家居
• 出租屋管理
Smart Agriculture
• 智能灌溉
• 農產品溯源
• 智能養殖
• 農林環境監測
• 畜牧監測
• 水庫管理
• 水資源監控
• 中小河流監測預警

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