藉由LoRa(Long Range)技術可將遠距離無線連接與低功耗效能相結合，以擴展物聯網(IoT)的覆蓋範圍。從智慧城市到智慧農業再到供應鏈追蹤，LoRa可滿足各種需求，適合用於構建在城市和郊區環境中均可運行的靈活IoT網路。但是，要開發一個全新的LoRa解決方案或移植到一個全新的LoRa解決方案，難度究竟如何？
這需要對全新的無線技術有所瞭解，並能夠挑選出適合的解決方案，整個過程可能會讓人心力交瘁。無線射頻(RF)設計通常需要深入的RF專業知識，而且會占用設計人員大量的開發時間。
本文將介紹LoRa網路架構的四個主要元素，並詳細討論設計人員在開發LoRa終端節點時面臨的一些最常見的挑戰。並介紹在幫助克服這些挑戰並縮短上市時間方面，經過法規認證的LoRa模組有何作用。
LoRaWAN網路架構
LoRa是一種無線調變技術，也是實體層，支援低功耗終端設備進行遠距離通訊。LoRaWAN則是無線聯網協定，用作媒體存取控制(MAC)層，並在LoRa實體層之上實現。LoRaWAN規範詳細說明了通訊協定和網路架構，旨在確保終端設備之間的安全通訊以及網路內的互通性。LoRa網路四個要素如圖1所示。
圖1 LoRa網路的四個要素 圖片來源：LoRa聯盟
．終端節點是LoRa生態系統的構成要素，用於收集感測器資料以及發送/接收資料。這些要素通常採用遠端連接方式，並由電池供電。
．閘道是終端節點與網路伺服器之間的透明橋接器。通常，終端節點透過LoRaWAN連接到閘道，而閘道利用Wi-Fi、乙太網或行動網路等高頻寬技術連接到網路。
．一個網路伺服器可以連接到多個閘道，能夠從多個閘道收集資料並過濾掉重複訊息，決定哪個閘道應該對終端節點訊息做出回應，並調整資料速率以延長終端節點的電池壽命。
．應用伺服器從終端節點收集資料並控制終端節點設備的動作。
以下將說明LoRa終端節點的概念，以及進行相關設計時會遇到的挑戰。
設計LoRa終端節點的常見挑戰
終端節點是比較簡單的物件，例如感測器和執行器。通常，這些物件就是物聯網中的「物」。在LoRaWAN生態系統中，終端節點透過一個或多個閘道與網路伺服器通訊。大多數情況下，LoRa終端節點都是低成本的電池供電型裝置，需要具有高成本效益和高能效。有多種方案可用於建構LoRa終端節點，具體取決於開發時間、目標成本、功耗和具備的RF專業知識。在研究可用於建構LoRa終端節點的方案之前，先了解設計人員在設計終端節點時面臨的常見挑戰，有助於挑選合適的產品。
而在設計終端節點架構時，以下領域的挑戰最為常見：
RF設計
與所有其他無線設計一樣，設計LoRa終端節點也需要具備大量的RF設計專業知識。在使用LoRa SoC/SiP時，終端節點設備開發人員負責整個RF設計，包括原理圖、BOM、PCB布局、天線調諧和其他射頻硬體。即使備有可靠實用的文件和應用設計指南，RF設計也並不總是那麼容易。設計過程不僅需要深入的RF專業知識，而且還會占用設計人員大量的開發時間。調試RF設計通常還需要特殊設備，亦增加了開發成本。
為了克服RF設計挑戰，一些供應商會提供附帶各種支援的SoC/SiP，其中包括非常實用的文件、經過法規認證的參考設計和內容詳盡的晶片級設計套件。然而，要想盡可能縮短開發時間並降低風險，已針對射頻進行優化、測試和認證的LoRa模組是更適合的選擇。這類別模組可以用作單個元件以提供完整的解決方案，進而降低設計風險並縮短開發時間。
合規性與認證
LoRa/Sub-GHz無線電通常在免授權ISM頻段運行，並且頻率會因地區而異，這對硬體和軟體設計人員來說是一項挑戰。設計人員必須小心謹慎，以確保設計出完全合規的解決方案，同時盡可能降低BOM成本。此外，RF法規要求不斷變化，跟上法規變化、重新測試設備和重新認證合規性可能需要終端節點開發公司投入更多成本和大量的工程時間，而這些資金和時間本可以用於新專案。使用經過認證的LoRa模組可以解決這個問題，因為模組製造商會負責滿足最新法規要求，並重新認證模組以符合最新規範。若選擇經過法規認證的LoRa模組，則可以避免花費在確保合規性上的所有成本和時間。
多地區工作
LoRa設備支援不同地區的多種工作頻率。終端節點製造商通常會先在一個主要地區發布其終端產品。一旦需求增加，公司就會考慮延伸相同設計的應用範圍，以覆蓋其他地區。若擁有一個支援多個地區的SKU，則可以將最終產品無縫移植和擴展到不同的國家和地區。經過法規認證的LoRa模組適用於多個頻段，是此類產品擴展的理想選擇。
可靠的軟體
通常，LoRa模組將整個LoRaWAN協定堆疊整合在模組內部，終端節點開發人員只需實作模組的初始化和通訊即可。對於LoRa SoC/SiP和獨立的LoRa模組，協定堆疊必須由製造商提供，如果沒有提供，則開發人員必須自行開發協定堆疊，為了減少軟體開發工作，建議選擇製造商的LoRaWAN協定堆疊支援的LoRa模組/IC。製造商提供經過驗證的LoRaWAN協定堆疊可確保終端節點與主要LoRaWAN網路和閘道之間的互通性，使終端節點能夠在不同的網路上工作，同時降低風險。
從模組到SoC的移植方案
許多公司基於經過認證的模組著手進行原型設計和初始生產運行，以期降低風險並加快產品的上市時程。在其產品開始規模量產後，公司可能會決定轉為使用LoRa SoC/IC，以提高靈活性或降低BOM成本。移植並非總是簡單易行，因此務必考慮選用允許在模組與IC之間進行簡單軟體移植的獨立模組。此外，必須選擇同時銷售模組和SoC的供應商，以便開發平台、軟體移植和支援結構可以保持不變。
經法規認證模組有助簡化終端設計
LoRa模組包含所有必需的無線電元件以及LoRaWAN協定堆疊和RF電路，因此可加快LoRaWAN終端設備開發的速度。RF開發和認證由模組製造商執行，因此認證規範的任何變更或元件更換都由製造商處理，進而為終端設備製造商節省大量的開發時間和重新認證成本。
獨立LoRa模組具有高度整合的LoRa IC，可提供足夠的記憶體來運行應用程式碼以及LoRaWAN協定堆疊。這樣一來，便無需使用外部微控制器，可以節省電路板空間和系統成本。圖2顯示了獨立模組的簡單範例，WLR089U0模組基於Microchip的SAM R34/35系列IC，是一款緊湊型模組，具有256KB快閃記憶體和40KB RAM，適合空間受限的應用。此外，該模組還整合RF開關，可實現多頻段工作，並允許在多個地區使用同一模組，以擴大終端產品的市場。WLR089U0還支援LoRaWAN協定堆疊和專有的點對點軟體，正在開發LoRa應用的最終用戶可藉此簡化軟體發展過程。選擇這類別模組有助於在開發LoRa終端節點時克服所有常見的設計挑戰，進而簡化整個設計過程。
圖2 WLR089U0 LoRa模組架構示意圖
圖片來源：Microchip
開發LoRa終端節點既複雜又耗時。高度整合且經過認證的LoRa模組提供簡單、成熟的方法來克服設計這些終端節點所涉及的複雜挑戰，具備可靠的軟體、更大的記憶體、整合的RF開關和法規認證。選擇經過認證的LoRa模組不僅有助於簡化設計過程，還能讓終端節點開發人員成功使其產品脫穎而出並更快地將其推向市場。
(本文作者任職於Microchip)