高質(zhì)量模擬和混合信號(hào)半導(dǎo)體產(chǎn)品供應(yīng)商Semtech公司的LoRa Edge地理位置解決方案利用直接解調(diào)和云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，不僅提高了效率，而且降低成本，并加強(qiáng)易用性，從而很好地展示了這種整體設(shè)計(jì)方法。

 

基于傳統(tǒng)技術(shù)的位置感測(cè)設(shè)備面臨的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是，其解決方案通常需要在電路板級(jí)集成多個(gè)射頻(RF)前端，因?yàn)槌羌缮讨罉?biāo)簽將只在嚴(yán)格控制的環(huán)境中使用，否則它們必須能夠從多個(gè)源獲取位置信息。

 

雖然全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)服務(wù)在室外運(yùn)行良好，但室內(nèi)定位通常需要能夠接收Wi-Fi信號(hào)進(jìn)行定位。還需要另一個(gè)RF接口來(lái)支持低功耗射頻通信，以滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

 

Semtech公司的解決方案使用軟件定義的無(wú)線電技術(shù)，將這三個(gè)單獨(dú)的RF前端集成為一個(gè)單元。來(lái)自三個(gè)天線的信號(hào)通過(guò)低噪聲放大器傳輸?shù)絾蝹€(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，該轉(zhuǎn)換器直接饋入數(shù)字解調(diào)器。這使得處理從1GHz以下頻段的LoRa通信到北斗和GPS衛(wèi)星群傳輸?shù)男盘?hào)等各種信號(hào)成為可能。

 

使用軟件定義的無(wú)線電，可以將信號(hào)駐留在輸入信號(hào)的特定部分中，而不必浪費(fèi)資源，這些元素可以根據(jù)情況調(diào)整功能，并最大限度地延長(zhǎng)了電池壽命。

 

定位信號(hào)處理的一個(gè)例子是地理位置標(biāo)記需求的核心，它可以在室內(nèi)和室外使用。當(dāng)標(biāo)簽被要求獲取其位置時(shí)，它必須確定哪種定位技術(shù)是最好的。如果標(biāo)簽在室外，它應(yīng)該能夠很容易地檢測(cè)到GNSS信號(hào)。LoRa Edge通過(guò)低功耗掃描模式使用這一原理，當(dāng)外部控制器試圖獲取位置時(shí)，可以激活這一模式。

 

在LoRa Edge地理位置解決方案中，固件將處理GNSS頻帶上預(yù)期的信號(hào)長(zhǎng)達(dá)0.65秒。僅當(dāng)接收器檢測(cè)到信噪比大于-134dB的GNSS信號(hào)時(shí)，接收機(jī)才會(huì)嘗試進(jìn)一步處理。如果成功，則接收器固件會(huì)將其處理方式更改為具有更高靈敏度的算法，以嘗試找到多達(dá)8顆信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)-141dB的衛(wèi)星。

 

如果衛(wèi)星數(shù)量足夠，接收器將獲得足夠的數(shù)據(jù)，以支持在1.65秒內(nèi)進(jìn)行精確定位。一旦捕獲到信號(hào)，接收器就可以停止處理以節(jié)省電力，這與傳統(tǒng)的GNSS接收器不同，后者可以繼續(xù)接收信號(hào)。

 

這種定位解決方案不會(huì)嘗試本地處理接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，而是將數(shù)據(jù)元素組合成一條消息，然后將其傳輸?shù)皆贫朔?wù)器以進(jìn)行處理，從而減輕了將接收到的衛(wèi)星消息轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確的定位信號(hào)所需的大量處理工作。

 

如果GNSS不可用，LoRa Edge地理定位芯片組可以切換到2.4GHz天線的解碼信號(hào)。與GNSS實(shí)施一樣，RF引擎不會(huì)嘗試完全解碼和處理數(shù)據(jù)。它只關(guān)注遠(yuǎn)程云計(jì)算服務(wù)利用Wi-Fi協(xié)議的結(jié)構(gòu)來(lái)確定準(zhǔn)確定位所需的那些元素。

 

RF引擎無(wú)需完全依賴被動(dòng)掃描就可以將任何數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁浇腤i-Fi路由器。在WiFi掃描模式下，接收器捕獲符合2.4GHz頻段上使用的802.11b、g或n型協(xié)議的信號(hào)。接收器固件可以通過(guò)監(jiān)聽(tīng)Wi-Fi路由器，并在傳輸任何有用數(shù)據(jù)之前使用的前導(dǎo)碼來(lái)挑選合適的數(shù)據(jù)包。一旦接收到包數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)，固件就會(huì)解調(diào)信號(hào)并捕獲字節(jié)，直到它擁有完整的接入點(diǎn)MAC地址。在這一點(diǎn)上，不需要監(jiān)聽(tīng)來(lái)自WiFi接入的更多數(shù)據(jù)。它將簡(jiǎn)單地存儲(chǔ)地址和相關(guān)的信號(hào)強(qiáng)度值，然后關(guān)閉射頻前端以節(jié)省電力。

 

通常情況下，為了能夠從Wi-Fi獲得準(zhǔn)確的定位，主機(jī)將需要捕獲附近幾個(gè)接入點(diǎn)的MAC地址。因此，主機(jī)控制器可以連續(xù)多次激活被動(dòng)掃描模式，直到有足夠的能力為止。為了避免浪費(fèi)Wi-Fi接入?yún)^(qū)域的電力， RF引擎可以實(shí)施超時(shí)模式，如果沒(méi)有有效的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，則自動(dòng)禁用接收器，直到主機(jī)控制器決定重試為止。

 

一旦主機(jī)具有MAC地址列表和信號(hào)強(qiáng)度指示，主機(jī)就可以將其與GNSS數(shù)據(jù)一樣，將數(shù)據(jù)傳遞到云平臺(tái)以轉(zhuǎn)換為地理位置。利用云計(jì)算技術(shù)，不僅可以進(jìn)行優(yōu)化，而且還可以從接收到的RF信號(hào)中提取盡可能多的信息，從而將電池壽命從數(shù)月延長(zhǎng)至兩到三年。

 

RF引擎的軟件定義性質(zhì)允許進(jìn)一步優(yōu)化成本。訪問(wèn)云計(jì)算服務(wù)以傳輸位置請(qǐng)求和其他物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)無(wú)需使用其他RF設(shè)備。當(dāng)接收器完成對(duì)GNSS數(shù)據(jù)的獲取后，主機(jī)控制器可以將RF引擎切換為無(wú)線電模式，以訪問(wèn)其提供的LoRa WAN訪問(wèn)功能。發(fā)送打包數(shù)據(jù)后，RF引擎可以切換到準(zhǔn)備響應(yīng)的接收模式，或者切換到低功耗的待機(jī)模式進(jìn)行等待，直到排定的時(shí)間從遠(yuǎn)程服務(wù)器接收指令或響應(yīng)。

 

 

LoRa Edge地理位置解決方案的配置方式意味著對(duì)數(shù)據(jù)包發(fā)送位置的選擇完全是集成商或服務(wù)運(yùn)營(yíng)商的選擇。LoRa Edge充分利用了LoRa WAN協(xié)議的安全功能。內(nèi)置的安全性是LoRa WAN的關(guān)鍵組件，它為應(yīng)用程序數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了端到端加密。這是在網(wǎng)絡(luò)級(jí)加密層之上的，該層用于防止未經(jīng)授權(quán)的節(jié)點(diǎn)獲得訪問(wèn)權(quán)限。

 

調(diào)試過(guò)程涉及到對(duì)加入服務(wù)器的請(qǐng)求，該服務(wù)器執(zhí)行身份驗(yàn)證例程，并使用基于AES的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議檢查設(shè)備的憑據(jù)。在身份驗(yàn)證過(guò)程之后，連接服務(wù)器和設(shè)備合作創(chuàng)建可用于保護(hù)網(wǎng)絡(luò)消息的會(huì)話密鑰。然后，其設(shè)備可以使用類似的過(guò)程向用戶自己的服務(wù)器進(jìn)行身份驗(yàn)證。這樣，就不需要應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商共享密鑰。

 

網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序服務(wù)之間的區(qū)別對(duì)于云計(jì)算定位服務(wù)和其他應(yīng)用程序用例一樣重要。 LoRa Cloud和LoRa Edge地理位置解決方案的設(shè)計(jì)可通過(guò)確保任何定位請(qǐng)求均來(lái)自客戶自己的應(yīng)用程序服務(wù)器，而不是讓設(shè)備本身在網(wǎng)絡(luò)級(jí)別發(fā)出請(qǐng)求來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。這樣，集成商可以為自己確定最佳的應(yīng)用程序架構(gòu)。如果應(yīng)將地理位置報(bào)告回給標(biāo)簽，則可以由用戶自己的系統(tǒng)在應(yīng)用程序?qū)舆M(jìn)行處理。但是在許多情況下，數(shù)據(jù)不必存儲(chǔ)在設(shè)備本身中：可以將其保存在云中并僅在必要時(shí)進(jìn)行分發(fā)。

 

同時(shí)，LoRa Edge地理位置解決方案的設(shè)計(jì)為用戶提供了一種方便的機(jī)制，用于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序訪問(wèn)所需的加密密鑰。使用密鑰數(shù)據(jù)對(duì)安全存儲(chǔ)器區(qū)域進(jìn)行編程，該密鑰數(shù)據(jù)用于在啟動(dòng)時(shí)加入LoRa WAN網(wǎng)絡(luò)，并支持存儲(chǔ)自定義密鑰供用戶應(yīng)用程序使用的功能。作為安全存儲(chǔ)器，不能從設(shè)備中讀取密鑰。片上邏輯執(zhí)行訪問(wèn)LoRa WAN功能所需的所有安全和加密操作。

 

總之，由于精心選擇了從RF接口到云計(jì)算的架構(gòu)和實(shí)施，LoRa Edge地理位置解決方案演示了如何使用系統(tǒng)級(jí)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能效承諾，并為更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

 

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