為了讓我們的生活方式更具效率，工業化世界正變得越來越自動化。除了具有經濟上的意義，提升效率還會對環境產生有利影響，因為我們消耗的自然資源更少，產生污染物也更少。

自動化的基礎就是閉環控制系統，它需要數據形式的輸入。這種數據是通過使用數量巨大的傳感器監控相關過程產生的。在物聯網時代，任何事物都是潛在的數據源。數據要通過連接來進入控制回路?；ヂ撌澜缣峁┝素S富的有價值信息。

可以說，功能最多樣的連接媒介就是無線連接，因為它除了一對位于相互傳輸范圍內的收發器之外，只需要很少的基礎設施，甚至不需要任何基礎設施。國際認可的授權限制為專注于免許可頻段帶寬的解決方案創造了市場。在 2.4 GHz 頻段中工作的 Wi-Fi 和藍牙或許是其中最流行的技術。

但是，對于長距離工作的傳感器網絡等應用而言，Sub-GHz 技術占據了絕對主導地位。與基于 2.4 GHz 頻段的技術相比，Sub-GHz 技術的傳輸范圍更大，但隨之帶來的弊端是數據速率受到影響，這通常不是傳感器網絡的問題。圖 1 顯示了 Sub-GHz 技術在無線頻譜中所處的位置。

圖 1：物聯網中所應用無線技術之比較。

預認證型解決方案

對于很多工程師而言，射頻仍然是一個極具挑戰性的設計領域，可能需要多年經驗才能勝任。高度集成的無線解決方案的普及在這方面為我們提供了一定幫助，特別是在 ISM（工業、科學和醫療）免許可頻段技術領域，例如 Wi-Fi、藍牙、ZigBee 等解決方案。一般來說，任何無線產品，即便是工作在 ISM 頻率的產品，也必須遵守任何所分銷地區的相關法規要求。通常需要讓產品通過由經過認可和授權的測試實驗室執行的資質認可和認證測試。提供面向無線應用的集成電路的大多數半導體制造商都能在這方面對我們有所幫助，但對于 OEM 而言，這仍然是一個必需的流程，可能耗費大量成本。

進行芯片級別開發的一種常見替代方法就是使用預認證型模塊。在這種情況下，絕大多數設計工作已由制造商完成，包括合規和認證流程。但要注意的是，只有在與認證過程中采用的相同工作條件下（天線選擇、調制方案）使用時，認證才適用于模塊，這一點非常重要。雖然很可能還需要對最終產品進行進一步測試，但由于模塊已經過預先認證，測試的成本、時間和工作量得以顯著降低。

預認證型模塊的使用，可以讓我們在許多應用（包括長距離傳感器網絡）中添加無線連接變得盡可能簡單。為了支持這個特殊應用領域，近年有多種無線技術相繼問世，包括 LoRaWAN 等行業標準，以及 Sigfox、Tinymesh 和 Whisker.io 等專利技術。

LoRa 模塊的實例包括來自 Microchip 的 RN2483 和來自 Murata Electronics North America 的 CMWX1ZZABZ-078。RC1692HP-SIG 是來自 Radiocrafts AS 公司的 Sigfox 模塊，該公司還提供采用其專有協議 Tinymesh 的 RC1191HP-TM 模塊。專有解決方案的另一個實例是來自 Digital Six Labs 的 Whisker.IO Engine。在下文中，我們將更詳細地介紹這些模塊及其協議，并探討如何在長距離無線傳感器網絡中使用它們。

低功耗、寬范圍

長距離（若干公里）工作的各種低功耗無線技術的興起，讓行業獲得了所需的動力而開始建立 LoRa 聯盟并制訂 LoRaWAN 協議。LoRa 使用星型網絡拓撲，旨在讓制造商能夠使用可互操作的解決方案，更加簡便地創建自己的網絡，而無需依賴于網絡提供商。它還提供了私有網絡，在這種網絡中網關通常能夠與蜂窩基站共存，將空閑容量用于回程。

Microchip 的 RN2483 模塊旨在用于網絡中的終端設備，例如傳感器節點和致動器。該模塊的傳輸距離超過 15 km 公里，電池壽命達到 10 年以上，通過 R&TTE 認證，可在歐洲使用。該模塊提供 14 個通用 I/O，能夠與很多傳感器和致動器連接，而集成 UART 端口則提供與主機微控制器的接口。該模塊能夠在 433 MHz 或 868 MHz 的頻率下工作，由主機 MCU 使用通過 UART 接口發送的 ASCII 指令配置（圖 2 顯示了該模塊的框圖）。

圖 2：來自 Microchip 的 RN2483 LoRa 模塊。

CMWX1ZZABZ LoRa 模塊將來自 Semtech 的 SX1276 收發器 與來自 STMicroelectronics (ST) 的 STM32L0 系列 MCU 集成在一起，運行 LoRa 協議。該預認證型模塊同時符合 868 MHz 和 915 MHz 傳輸標準?？梢允褂?ST 的 LoRaWAN SDK，將應用代碼添加到 MCU。用于 STM32L0 的 Keil MDK 也支持該模塊。

與 LoRaWAN 不同，Sigfox 是一種在由 Sigfox 合作伙伴在本地運營的私有網絡上運行的專有協議。這種協議的獨特之處在于不再需要協商連接。節點只傳輸有效載荷，用戶通過云連接獲取數據。在這方面，它提供了將傳感器連接到互聯網的最簡單方法。RC1692HP-SIG 是來自 Radiocrafts 的預認證型 Sigfox 模塊，在 902 - 928 MHz 頻段中工作，支持兩種網絡模式：僅上行鏈路和上行鏈路/下行鏈路。前者在只提供數據的傳感器模式下使用，而后者可用于在節點中包括某種形式的致動。

在該頻譜的 sub-GHz 部分，該專有協議仍然具有潛力，在這個頻段，它們在傳統上作用一直很強，甚至在物聯網問世之前也是如此。同樣來自 Radiocrafts 的 RC1191HP-TM 也實現了其自已的專有協議 Tinymesh。與 LoRa 和 Sigfox 不同，這種協議基于網狀網絡，當很多模塊部署在一個區域中并以“網狀”方式互聯時，它的使用效果最佳。由于有效載荷可通過多個可能路徑回到網關，因此這種協議有助于確保網絡穩定性。Tinymesh 協議棧包括一系列多跳協議，讓器件能夠與嵌入式應用層交換數據，并且在很多情況下不需要主機 MCU。網絡包括端點、網關和路由器。任何支持 Tinymesh 的器件都可配置為執行其中某一種功能。Tiny Mesh AS 提供的基于云的服務補充了 Tinymesh 建議。

通過將 LoRa 調制與專有協議結合在一起，Digital Six Labs 開發出了構建完整物聯網基礎設施（包括網關和端點）的產品。其解決方案的核心就是 Whisker.IO Engine，它可以連接到傳感器和致動器，并實現最遠 40 英里的傳輸。

協議

適合某個特定應用的 sub-GHz 技術取決于諸多因素，例如網絡的物理尺寸（或節點之間的距離）、要發送/接收的數據量。

例如，用于監控農業環境條件的無線傳感器網絡可能每天只需發送幾次相對較小的有效載荷。而食品生產工廠則可能需要更頻繁地在較短的距離內發送更多信息。

LoRaWAN 協議支持的有效載荷可根據數據速率變化，信息量從最低速率的 51 字節到最高速率（還會受到地區規范/限制的約束）的 222 字節不等。Digital Six Labs 的技術基于 LoRa，能夠在每條消息中發送最多 32 個字節，而基于 Sigfox 協議的網絡能夠支持 12 字節的消息，發送速率為 100 位/秒。

建立連接

無線模塊在很大程度上應該是“即插即用”的，雖然有些模塊確實支持在自身上運行的應用代碼，但它們無一例外都要與通過串行接口連接的主機 MCU 配合使用。部分原因是為了保護模塊的預先認證資質，因為對模塊的任何更改可能意味著需要再次經過認證流程。

本文所述的所有模塊都可由主機 MCU 控制。例如，來自 Microchip 的 RN2483 LoRa 模塊兼容 LoRaWAN A 類協議，它是所有三種 LoRaWAN 協議中功耗最低的。這意味著端點啟動有效載荷的上行鏈路，并設置接收有效載荷的時間。模塊的所有配置設置都通過三種類型的指令控制，如圖 3 所示。

圖 3：Microchip 的 RN2483 LoRa 模塊指令接口。

Mac 指令用于 A 類配置和控制指令。主機 MCU 使用 ASCII 通過 UART 接口與模塊進行通信。示例應該包括：

mac tx

tx 指令啟動數據傳輸， 變量指定有效載荷已確認 (cnf) 還是未確認 (uncnf)， 表示端口（1 至 223）， 是十六進制的有效載荷。傳輸之后，可能收到多種響應，如果傳輸不成功，或者任何參數不正確，則會收到錯誤消息。

RC1692HP-SIG Sigfox 模塊還可與配務 UART 接口的主機 MCU 一起使用，如圖 4a 所示。所有數據和配置都通過 UART 接口發送至模塊或從模塊接收。模塊的配置由主機 MCU 啟動和完成，如圖 4b 所示。

圖 4a：來自 Radiocrafts 的 RC1692HP-SIG Sigfox 模塊的 UART 接口。

圖 4b：此流程圖描述了 Radiocrafts 的 RC1692HP-SIG Sigfox 模塊的配置模式。

可使用 UART 接口將模塊置于休眠模式，或者自動執行此操作；但是，模塊還必須由主機 MCU 通過同一個接口喚醒，處于休眠模式時，模塊不會接收任何消息。

該模塊含有溫度傳感器，可使用專用指令讀取，返回代表攝氏度數的單字節數據，精度為 ±2°C。

Whisker.IO Engine 模塊在設計時考慮到了傳感器，集成有兩個 10 位輸入，還有兩個數字輸入和一個數字輸出。UART 接口和 I2C 端口可用于擴展功能，方法通過添加 ADC、DAC 以及配有串行端口的其他傳感器（例如 MEMS 傳感器）實現。

Digital Six Labs 表示，使用 Whisker.IO Engine 設置無線傳感器網絡的最簡單方式是使用 Whisker Network Manager，但是，這些模塊也可以使用 AT 指令在更低的級別上進行管理。

圖 5：使用來自 Digital Six Labs 的 Whisker.IO Engine 的應用實例

圖 5 顯示了一個簡單應用實例，可用于配置應用的 AT 指令有：

ATTM01EE32092C

ATMA

ATTM12E5AA33

ATMA

ATTM73233CBA1

ATMA

配置之后，讀取模塊 EE32092C 的輸入需要以下指令：

ATTM01EE32092C

Response: OK

ATRA03

Response: OK

Response: RMRA03014ac0

第一條指令啟動主控端和模塊 EE32092C 之間的通信，隨后的指令請求來自模擬通道 3 的讀數。第二個響應包括數據值 0x014a，也就是十進制數 330，它表示電池電壓為 3.3 V。

總結

使用預認證型模塊開發在 sub-GHz 頻段中工作的無線傳感器模塊具有諸多優勢。它消除了射頻領域的設計挑戰，并且提供了一個更加快速、經濟的產品上市途徑。

隨著制造商不斷看到收集產品和環境數據的益處，對無線傳感器網絡的需求也在日益增加。我們設計、實現和管理無線傳感器網絡的方法現在變得前所未有的簡單，這要歸功于預認證型無線模塊的廣泛普及。