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滿足低功耗廣域網(wǎng)智能應(yīng)用的解決方案

發(fā)布時(shí)間:2023-09-08 來源:艾睿電子 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】除了應(yīng)用于室內(nèi)的智能建筑應(yīng)用之外,針對應(yīng)用于戶外的智能建筑/城市的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用,則需要支持傳輸距離更廣、功耗更低的傳輸技術(shù),且通常需要采用電池操作,并能夠支持以年為單位的使用時(shí)間,此時(shí),低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)便成為這些熱門應(yīng)用的理想技術(shù)之一。本文將為您介紹LPWA的應(yīng)用與發(fā)展,以及由Murata推出的相關(guān)解決方案。


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側(cè)重于功率效率和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)腖PWA技術(shù)


可應(yīng)用于較大范圍的智能建筑、智能城市應(yīng)用的LPWA網(wǎng)絡(luò),是一種專門用于將設(shè)備互連在一起的無線通信技術(shù),側(cè)重于功率效率和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。LPWA很適合物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、機(jī)器對機(jī)器(M2M)等應(yīng)用,以及許多其他需要以較低成本和功耗運(yùn)行的應(yīng)用,目前LPWA技術(shù)正在迅速興起當(dāng)中。


LPWA網(wǎng)絡(luò)可以利用不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來傳輸數(shù)據(jù),包括使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)、LoRa網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。像是使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的LTE-M技術(shù),LTE-M是LTE Cat-M1或長期演進(jìn)(4G),類別M1的縮寫,該技術(shù)用于IoT設(shè)備直接連接到4G網(wǎng)絡(luò),通過像是AT&T或Verizon等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商(MNO)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接,并無需網(wǎng)關(guān)且通常使用電池操作。


LTE-M包括eMTC(增強(qiáng)型機(jī)器類型通信)標(biāo)準(zhǔn),這是一種由3GPP開發(fā)的低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)無線電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),可實(shí)現(xiàn)廣泛的蜂窩設(shè)備和服務(wù)(特別是M2M和IoT應(yīng)用)。LTE-M具有更高的數(shù)據(jù)速率,支持移動(dòng)性和網(wǎng)絡(luò)語音,但需要比窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)更大的帶寬,并且不能像NB-IoT一樣放入保護(hù)帶頻段。


NB-IoT則是一種基于標(biāo)準(zhǔn)的LPWA技術(shù),旨在支持各種新型IoT設(shè)備和服務(wù)。NB-IoT顯著改善了用戶設(shè)備的功耗、系統(tǒng)容量和頻譜效率,尤其是在深度覆蓋方面。NB-IoT使用LTE標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)子集,但將帶寬限制為200kHz的單個(gè)窄帶。


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針對低功耗、低比特率和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的LoRa技術(shù)


LoRa(來自“Long Range”長距離的簡稱)則是一種物理專有無線電通信技術(shù),它基于源自線性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS)技術(shù)的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù),它由一家法國公司Cycleo開發(fā),后來該公司被Semtech收購。LoRaWAN?(廣域網(wǎng))則定義了通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu),是國際電信聯(lián)盟(ITU)的官方標(biāo)準(zhǔn)。LoRa和LoRaWAN?共同定義了一種LPWA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,旨在將電池供電設(shè)備無線連接到區(qū)域、國家或全球網(wǎng)絡(luò)中的互聯(lián)網(wǎng),并針對關(guān)鍵的IoT要求,例如雙向通信、端到端安全、移動(dòng)性和本地化服務(wù)。LoRaWAN?數(shù)據(jù)速率范圍為每信道0.3 kbit/s至50 kbit/s,可滿足低功耗、低比特率和IoT應(yīng)用的需求。


LoRa使用不需申請?jiān)S可的sub-GHz射頻頻段,例如433 MHz、868 MHz(歐洲)、915 MHz(澳大利亞及北美洲)及923 MHz(亞洲)。LoRa可以在低能耗下進(jìn)行長距離的通信(在鄉(xiāng)村可以傳輸超過10公里),LoRa和LoRaWAN?讓許多產(chǎn)業(yè)的IoT設(shè)備有長程的聯(lián)機(jī)能力。


LoRa定義了通信棧中較低的物理層,沒有定義上層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。有許多協(xié)議可以定義LoRa上層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,LoRaWAN?就是其中之一。LoRaWAN?是以云為基礎(chǔ)的介質(zhì)訪問控制(MAC)層協(xié)議,但其作用類似網(wǎng)絡(luò)層,管理LPWAN網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點(diǎn)之間的通信,類似路由協(xié)議,由LoRa聯(lián)盟維護(hù)。


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超小的LTE Cat.M1/NB-IoT模塊


LTE Cat.M1/NB-IoT是一種許可標(biāo)準(zhǔn),需要獲得許可才能使用無線電頻段,很適合IoT應(yīng)用中即使速度較慢,也需要盡可能地降低成本和功耗的情況。LTE Cat.M1/NB-IoT特別適用于移動(dòng)通信,例如設(shè)備在移動(dòng)時(shí),由于使用許可頻段,不易產(chǎn)生無線電干擾、速度更快,可用于可穿戴設(shè)備在IoT和其他應(yīng)用中。


Murata設(shè)計(jì)了超小的LTE Cat.M1/NB-IoT模塊,它具有全球認(rèn)證并支持GPS/GNSS、OpenMCU和iSIM(選項(xiàng))。LTE Cat.M1(LTE-M)具有高可靠性、低延遲和低功耗的特點(diǎn),它可用于需要更換電池的IoT設(shè)備。NB-IoT有望用于需要低功耗的IoT解決方案,適用于電池不易更換或無法使用商用電源的環(huán)境,如智能電表、遠(yuǎn)程醫(yī)療檢查或?yàn)?zāi)害發(fā)生時(shí)的異常檢測等應(yīng)用。


Murata推出的Type 1SE(LBAD0ZZ1SE)模塊是Cat. M1/NB-IoT模塊,符合日本認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn),支持Truphone的eSIM技術(shù)。Type 1SE高度集成了MCU、eSIM和LTE-M/NB1調(diào)制解調(diào)器,經(jīng)過認(rèn)證的終端器件帶有天線連接,可輕松與多種不同類型的應(yīng)用集成。


Type 1SE模塊支持LTE Cat.M1/NB-IoT第13版,支持LTE頻段中的低頻段5、8、12、13、14(僅限CAT M1)、17、18、19、20、26、28,以及中頻段1、2、3、4、25,采用Altair ALT1250與ST STM32L462芯片組,最大尺寸僅有15.4 x 18.0 x 2.5mm,采用LGA金屬外殼封裝,支持UART主機(jī)接口與ADC、GPIO、I2C、JTAG、PWM、SPI等外設(shè)接口,具有用于天線配置的U.FL連接器,接口電壓為3.3V,電源電壓為3.3-5.0V,工作溫度為-40℃~85℃,功率等級(jí)已針對3類LTE輸出功率進(jìn)行優(yōu)化,符合RoHS規(guī)范,提供X-CUBE-CELLULAR軟件功能,在睡眠模式下的電流消耗很低,低功耗使電池壽命長達(dá)10年,休眠電流僅有3μA,eDRX電流在8超幀模式下小于50μA,可配置PSM電流的休眠窗口,最大的發(fā)射功率為+23dBm,并通過FCC/IC/RED/TELEC與GCF/PTCRB認(rèn)證,以及全球運(yùn)營的Truphone運(yùn)營商認(rèn)證。


與未經(jīng)許可的LPWA通信系統(tǒng)相比,主要移動(dòng)電話運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)(許可頻段)用于提供更廣泛和更穩(wěn)定的通信范圍。Type 1SE模塊的底部面積比典型的LPWA模塊小約50%,可實(shí)現(xiàn)電子電路的高密度電路設(shè)計(jì)。


Type 1SE模塊采用的通信系統(tǒng)頻段與LTE的頻段相同,頻寬為1.4 kHz,支持運(yùn)營商的許可頻段,上行與下行的最大傳輸速率均為1 Mbps,通信范圍大于10 Km。


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小尺寸、遠(yuǎn)距離、長電池壽命、安全性的LoRa模塊


另一方面,非蜂窩的LPWA則是一種使用sub-GHz頻段的通信技術(shù),該技術(shù)包括LoRaWAN?,它不需要許可證(未授權(quán))并與遠(yuǎn)程無線協(xié)議兼容。LoRaWAN?是由LoRa Alliance?制定的標(biāo)準(zhǔn),Murata部署了支持LoRaWAN?的模塊,并開發(fā)出當(dāng)今超小的LoRa模塊系列,尺寸僅為10.0 mm × 8.0 mm × 1.6 mm,適用于需要小尺寸、遠(yuǎn)距離、延長電池壽命、安全性和具有競爭力的價(jià)格點(diǎn)的各種大批量應(yīng)用。該系列是基于第二代Semtech SX1262射頻IC(RFIC),Type 1SJ(LBAA0QB1SJ)LoRa模塊還具有來自意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)的開放式STM32L0微控制器(MCU),以及一個(gè)RF開關(guān)和192kB閃存和20kBRAM。這種廣泛的內(nèi)存供應(yīng)可確保為應(yīng)用層提供足夠的資源,微型模塊中還裝有溫控晶體振蕩器(TXCO)和多個(gè)通信接口,包括UART/I2C/SPI/ADC/USB和各種GPIO。


該模塊專為全球部署而設(shè)計(jì),支持868 MHz至916 MHz的ISM頻段,包括歐洲、美國、印度和環(huán)太平洋地區(qū)使用的頻段,該器件在全球范圍內(nèi)擁有單一部件號(hào),簡化了客戶供應(yīng)鏈。


Type 1SJ模塊采用單電源軌(高達(dá)3.9V DC)運(yùn)行,集成了多種低功耗模式,允許實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)在消耗僅為1.3μA的典型電流時(shí)運(yùn)行,這種增強(qiáng)的電流消耗使基于Murata模塊的器件能夠使用一顆電池運(yùn)行數(shù)年,并采用樹脂封裝,可提供物理堅(jiān)固性,使模塊能夠在?40℃至+85℃的溫度范圍內(nèi)工作。


Type 1SJ模塊是業(yè)內(nèi)超小的LoRaWAN?模塊之一,與以往產(chǎn)品相比,該模塊功耗更低,輸出更高,并已獲得主要地區(qū)的《無線電法》認(rèn)證,提供開放式MCU設(shè)計(jì)支持。Type 1SJ模塊支持860-930MHz的LoRaWAN?通道頻段,采用Semtech SX1262與STM STM32L芯片組,支持FSK和LoRa?調(diào)制與外接天線,接口電壓(Vdc用于VIO)為3.3 Vdc,VDD_MCU、VDD_RF、VDD_TCXO的最小電源電壓為2.2V,VDD_MCU、VDD_RF、VDD_TCXO的最大電源電壓則為3.6V,在22dBm設(shè)置時(shí)發(fā)射模式電流為118mA,發(fā)射功率高達(dá)+21.5dBm,在125kHz BW時(shí)的接收模式電流為15.5mA,在1% PER、125kHz BW、SF=12時(shí)的接收器靈敏度為-135.5dBm,符合RoHS規(guī)范并通過FCC/IC“參考”認(rèn)證,并擁有LBAA0QB1SJ-295、LBAA0QB1SJ-296、LBAA0QB1SJ-686三種變體型號(hào)。


Type 1SJ LoRa模塊將幫助設(shè)計(jì)人員開發(fā)滿足要求很苛刻的解決方案,尤其是在資產(chǎn)跟蹤、公用事業(yè)、農(nóng)業(yè)、智能城市、智能建筑、工業(yè)和其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等領(lǐng)域。


結(jié)語


在智能建筑/城市的戶外應(yīng)用中,應(yīng)當(dāng)采用LPWA技術(shù)來實(shí)現(xiàn)長距離、低功耗、電池操作的IoT設(shè)備之間的連接與數(shù)據(jù)傳輸,用于遠(yuǎn)程或室外監(jiān)控各種智能結(jié)構(gòu)物(如大壩或橋梁、油氣平臺(tái)、智能電網(wǎng)等),此時(shí)蜂窩網(wǎng)絡(luò)(如LTE Cat.M1/NB-IoT)或LoRa/LoRaWAN?網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)是理想的解決方案。Murata針對LPWA智能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,推出了支持上述這些技術(shù)的高集成度模塊產(chǎn)品系列,將會(huì)是相關(guān)應(yīng)用的理想選擇,值得您深入了解與采用。



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