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M160-拓宽下行实时控制的工业领域应用

来源:慧联无限 | 2019.09.05

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M160 是慧联无限科技有限公司最新研制的一款 LoRa 通信模块。本模块集成了 LoRaWAN 协议栈,符合 LoRa 联盟发布的 LoRaWAN 标准(V1.0.3,ClassA/B/C),支持不同厂商设备间互联互通。


硬件支持 470~510MHz(L) 或862~932MHz(H) 超宽频段,使用不同频段时,可进行 AT 指令配置,并选择合适天线及硬件版本。模块采用 TTL 串口与外接设备进行数据/指令交互,可以方便地为用户提供快速 LoRaWAN 网络接入和无线数据业务应用,其他IO可配置为I2C、ADC或通用IO等接口


M160 模块具有功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点,适用于多种应用场合:物联网低功耗终端应用、自动抄表、智慧城市、工业自动化、智能家居等。Class B协议尤其适合于做下行控制应用场景,且兼顾功耗与实时控制性能。适用于智能门锁,阀控表计,红外控制,定位终端等实时性要求较强的下行数据通信应用。

产品特点

极低功耗:最低待机电流 3.5uA

高灵敏度:最高接收信号灵敏度可达-139dBm@SF12/125KHz,最低信噪比达-20dB


邮票孔设计,包含2路UART+6路IO(复用UART),简易指令配置模块参数支持无线升级OTA功能,AES128安全加密已内部集成 LoRaWAN1.0.3协议栈,支持 Class A/ B/ C 设备类型,支持三种协议切换

 

M160相比M120升级:

 

增加Class B协议支持,根据应用实时性需求,下行时延1-128s可配

 Class A(功耗最优,下行实时性最差):Class A 的终端在每次上行后都会紧跟两个短暂的下行接收窗口,以此实现双向传输。传输时隙是由终端在有传输需要时安排,附加一定的随机延时(即ALOHA协议)。这种Class A 操作是最省电的,要求应用在终端上行传输后的很短时间内进行服务器的下行传输。服务器在其他任何时间进行的下行传输都得等终端的下一次上行。

 

 Class C(下行实时性最好,但功耗最差,几乎不适用电池供电):Class C 的终端基本是一直打开着接收窗口,只在发送时短暂关闭。Class C 的终端会比 Class A 和 Class B更加耗电,但同时从服务器下发给终端的时延也是最短的。

 

 Class B(兼顾下行实时性和功耗的最优解决方案):Class B 的终端会有更多的接收时隙。除了Class A 的随机接收窗口,Class B 设备还会在指定时间打开别的接收窗口。为了让终端可以在指定时间打开接收窗口,终端需要从网关接收时间同步的信标 Beacon。这使得服务器可以知道在指定的时间窗口发送数据给终端。

 

内置温漂补偿算法,全工业温度范围-40—85℃稳定可靠的下行通讯

 

通常class B协议要求终端节点必须在一定时间范围内收到网关下发的beacon,并根据其进行时间同步。而所有网关时间都来源于GPS,所以网关下发的beacon都可以保证同一精确时刻。但节点端每个模块都是自己独立的硬件时间系统,故存在因器件规格不高或温度范围导致的时间偏移问题,而这些问题在class A和C协议时都不存在。


一种解决方法是使用TCXO晶振,可以保证在全工业温度范围-40—85℃时钟保持频率稳定度,但缺点是价格高和功耗高,TCXO必须保持长供电;另一种方法是扩大节点端beacon的接收窗口时间,为满足工作的温度范围,需考虑最极限工作温度的接收开窗,但由此带来的问题是模块接收功耗会大幅度增加。


M160区别于普通class A/C模块,使用更高精度等级无源晶振器件(<10ppm),既能满足晶振功耗不增加,也能保证在一定的室温范围内保持恒定时钟精度,结果是接收beacon可以用更小的开窗时间,从而降低了功耗;其次在超过一定温度范围时,模块启动温度补偿算法,基于器件的物理特性曲线,从软件上做相应的补偿,既考虑器件的离散性又考虑温度频率特性,做出最理想的优化,保证接收功耗最低的情况下做到全工业温度范围内-40—85℃稳定可靠接收。从而适应于更多严苛环境的实时下行数据通讯需求。

 

Flash空间增加一倍,可支持OPEN MCU开发模式。

 

模块除了支持普通的AT指令+透传模式以外,M160增加了OPEN MCU模式,开放了部分MCU的资源,用户可把自己的APP应用软件加载在M160模块内,即实现传感控制+LoRaWan通讯协议使用同一个MCU,用户可用的程序空间(除了通讯部分)达50KB以上。模块有8个IO管脚可配置为2个UART,1个SPI,1个I2C,ADC等功能,可由客户自行开发使用。这种新的OPEN MCU模式既便于开发,提高了产品的可靠性,稳定性,又省去了用户自己的MCU,降低了总的终端成本。

 

M160对于物联网行业意义

在原有应用class A/C适用领域保持的情况下,将大大拓宽LoRaWan在更多需要兼顾功耗和下行实时控制的工业领域应用。


特别适合class B的典型应用:


1.     智能表计类

带阀控的表计,如天然气表,阀控水表等:天然气表和阀控水表通常都是电池供电,对于后付费用户来说,用户欠费后,表计会自动关闭,以免透支造成可能的损失风险。当用户充值成功之后,希望尽快恢复供气供水。class B协议允许表计终端以较少的延时时间收到服务器发来的控制和数据信息,做出相应动作后再将处理结果反馈给服务器。这种实时性强的操作将会让用户获得更好的体验。当用户希望实时远程查询表计读数时,也最好通过class B来协议实现。

 

2.     智能门锁

智能门锁是电池供电的终端产品,目前已广泛应用于学生公寓,酒店等场所。其中开锁密码更新,访客临时密码下发,白名单更新,等下行数据实时性有要求的功能都需要class B完成。


如酒店用智能门锁,当客户在前台办理入住登记时,前台工作人员即可操作平台,通过下发指令更新指定房间的锁的密码和入住人身份信息,等到住户到达房间时可以凭身份信息或密码打开门锁。


学生公寓管理员可通过智能门锁轻松管理每个学生入住和离校信息,对于临时访客也可以实时更新其访问权限、身份、时间和密码等信息,保持服务器和锁的同步和实时更新。

 

3.     低功耗GNSS定位终端


基于GNSS的定位终端产品不管是GPS、北斗或其他模式,最大的缺点是搜星功耗巨大。基于class A的定位终端通常只能设置固定时间打开GNSS,获取到位置信息后上传数据,或者是条件触发打开GNSS再上传,无法实现查询式定位。GNSS+class B是理想的解决方案,class B解决了按需查询式定位问题,在需要获取其位置时才打开GNSS是最实时有效的,也是最省电的。


同时class B也可以较好的支持A-GNSS模式,定位前通过class B协议把星历文件发送到定位终端的GNSS,大幅提高定位终端的搜星效率,从而也就降低了整机功耗,延长电池使用寿命。这种定位终端可广泛应用于人员穿戴,机动车/非机动车辆,牲畜,关键资产物品等,室外GNSS定位需求。


作者:张鹏

慧联无限技术研究院 高级工程师